片式電感及其應(yīng)用

ID:104287 · 發(fā)表于 2016-1-30 03:25

當(dāng)電感作為扼流電抗器來(lái)使用時(shí)，總希望用它構(gòu)成的濾波電路具有寬的頻率抑制特性，因此，這種電感器并不需要有高的Q值。而低的直流電阻可以保證在額定電流通過(guò)電感器時(shí)，將有最小的電壓降。這樣看來(lái)，同樣是一個(gè)電感器，不同的應(yīng)用場(chǎng)合中對(duì)電感器性能要求是不同的。
　　1 片式電感
　　片式電感分為繞線型和疊層型兩大類(lèi)。繞線型電感器是將細(xì)的導(dǎo)線繞在軟磁鐵氧體磁芯上制成，外層一般用樹(shù)脂封固。其工藝?yán)^承性強(qiáng)，但體積小型化有限。
　　而片式疊層電感器則不用繞線，是用鐵氧體漿料和導(dǎo)體漿料交替印刷、疊層、燒結(jié)，形成閉合磁路;它采用先進(jìn)的厚膜多層鈍化技術(shù)和疊層生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了超小型表面安裝。
　　疊層型電感的主要特點(diǎn)是有磁屏蔽和直流電阻小。與繞線型相比，電感量和可允許通過(guò)的電流相對(duì)較小，但是更適合在高頻下使用。
　　片式電感的材料分成以鐵氧體磁性材料為基體和以陶瓷材料為基體兩個(gè)大類(lèi)。
　　前者采用鎳鋅系和錳鋅系材料制成各種小型鐵氧體磁芯。大多數(shù)片式電感器，特別是片式功率電感器、片式EMI抑制器都使用鎳鋅系材料。
　　而錳鋅系材料主要用在片式變壓器和片式低頻電感器中。
　　后者采用低介電常數(shù)陶瓷制成的高頻片式疊層電感器，在其制作當(dāng)中還考慮了抑制雜散電容的問(wèn)題，用它做成的疊層電感器可以獲得較高的自諧振頻率，用在亞微波到微波波段，適合移動(dòng)電話向高頻化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要。
　　1)片式疊層電感器
　　片式疊層電感器，是電感領(lǐng)域重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。制作時(shí)不用繞線，而用鐵氧體漿料和導(dǎo)電漿料交替進(jìn)行多層印刷，然后通過(guò)高溫共燒結(jié)，形成有閉合磁路的電感線圈 (見(jiàn)圖1)。或者將微米級(jí)鐵氧體薄片進(jìn)行疊層，每個(gè)磁性層有印刷的導(dǎo)體圖案和孔，孔中填充導(dǎo)電材料，從而把上層圖案和下層圖案連結(jié)起來(lái)，經(jīng)過(guò)加壓、燒結(jié)，形成一體化的多層電感器。這類(lèi)電感器制作工藝更加適合尺寸微小型化，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化大生產(chǎn)。片式疊層電感器與片式繞線電感器相比有諸多優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，有利于電路的小型化;磁路封閉，不會(huì)干擾周?chē)脑骷膊粫?huì)受臨近元器件的干擾，有利于元器件的高密度安裝;一體化結(jié)構(gòu)，可靠性高;耐熱性、可焊性好;形狀規(guī)整，適合于自動(dòng)化表面安裝生產(chǎn)。

　　目前這類(lèi)產(chǎn)品已取得較大進(jìn)展，并通過(guò)改進(jìn)磁性材料性能、改善內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)和加速器件小型化等措施，不斷拓展其應(yīng)用市場(chǎng)。片式疊層電感器是面向便攜式電話等移動(dòng)通信終端的高頻毫微亨級(jí)電感器，以及面向個(gè)人電腦等高速數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備的噪聲抑制器。
　　2)繞線型片式電感
　　另一種形式的片式電感器是片式繞線電感器，這是對(duì)傳統(tǒng)繞線型電感器的一種改進(jìn)，采用微小型工字型磁芯，經(jīng)繞線、焊接、電極成型、塑封等工序制成，見(jiàn)圖2。這種類(lèi)型的片式電感生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，電性能優(yōu)良(電感量大，品質(zhì)因素高)，適合于大電流通過(guò)，可靠性好。但受磁芯尺寸和制造工藝限制，進(jìn)一步微小型有困難。

　　還有一種片式繞線電感是采用H型陶瓷芯，經(jīng)過(guò)繞線、焊接、涂復(fù)、環(huán)氧樹(shù)脂灌封等工藝制成，見(jiàn)圖3，由于電極已預(yù)制在陶瓷芯體上，制造工藝更加簡(jiǎn)單，而且可以進(jìn)一步小型化。這類(lèi)電感的電感量較小，但自諧振頻率高(通常為5～6GHz，最高達(dá)12.5GHz)，更適合高頻使用。

2 片式電感與片式磁珠的區(qū)別
　　在《片式電磁兼容對(duì)策器件》這個(gè)話題中，片式電感主要是用來(lái)抑制電磁干擾的發(fā)生。所以比較電感器與磁珠(包括片式電感與片式磁珠)也應(yīng)該從這個(gè)主題出發(fā)。
　　電感器本身是一個(gè)無(wú)功元件，它在電路中不消耗能量。電感器之所以能夠阻止高頻信號(hào)在線路中流通，發(fā)揮對(duì)電磁干擾的抑制作用，是因?yàn)?strong>電感器在高頻信號(hào)作用下體現(xiàn)了一個(gè)高阻抗元件，阻止了高頻信號(hào)在線路中的流通，而將高頻信號(hào)反射回干擾源。就這個(gè)應(yīng)用的頻率范圍來(lái)說(shuō)，很少有超過(guò)50MHz的。
　　對(duì)磁珠來(lái)說(shuō)，它本身是一個(gè)軟磁鐵氧體磁芯，串聯(lián)在需要抑制干擾的線路上，誠(chéng)然在頻率較低時(shí)，鐵氧體磁珠在串聯(lián)電路上仍然體現(xiàn)為一個(gè)電感。然而對(duì)于頻率更高的干擾，由于磁芯的磁導(dǎo)率的降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小，因此磁珠電感對(duì)于高頻干擾的阻擋作用在減少。而與此同時(shí)，磁芯的損耗(渦流損耗) 卻在增加。后者等效為損耗電阻，電阻成分的增加，導(dǎo)致磁珠在線路上的總阻抗依然在增加，所以當(dāng)高頻干擾通過(guò)鐵氧體時(shí)，磁珠對(duì)高頻干擾的阻擋作用依然在增加，不過(guò)這次磁珠不是將高頻干擾反射回干擾源，而是將高頻干擾轉(zhuǎn)換成熱能的形式給耗散掉了。
　　這樣看來(lái)，電感器和磁珠在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有本質(zhì)性的不同，但是從抑制干擾的機(jī)理(依照抑制干擾的頻率范圍來(lái)劃分)來(lái)說(shuō)，兩者明顯是不同的，[color=#262626,strength=3)"]一個(gè)是將干擾反射回干擾源(指電感)，另一個(gè)是將干擾吸收掉(指磁珠)。
　　3 片式共模電感器
　　在電子設(shè)備中，我們要抑制的電磁干擾無(wú)非是出現(xiàn)在信號(hào)線和電源線上的干擾，因此對(duì)于電磁兼容對(duì)策器件中的電感器，特別是片式電感器的適用形式也是從這兩方面來(lái)分析。
　　1)信號(hào)線的濾波
　　信號(hào)線的濾波作用更多是用來(lái)對(duì)付來(lái)自空間的干擾問(wèn)題(包括從空間輻射進(jìn)設(shè)備的干擾，和設(shè)備向空間發(fā)射的干擾)。這說(shuō)明了電纜線是電磁兼容的薄弱環(huán)節(jié)，也說(shuō)明了共模干擾是設(shè)備的主要危害。這是信號(hào)線所起的天線作用惹的禍。基于這一原因，對(duì)于非屏蔽的信號(hào)線端口應(yīng)當(dāng)安裝信號(hào)線濾波器，濾波器要安裝在信號(hào)線進(jìn)出的交界面上，要濾除的主要是一些頻率相當(dāng)高的共模干擾信號(hào)。
　　2)電源線的濾波
　　在設(shè)備的電磁干擾的傳播途徑中，電源線是最重要的媒介，因?yàn)殡娫淳€的長(zhǎng)度(包括設(shè)備的電源進(jìn)線和電力傳輸?shù)募芸站€延伸)足以構(gòu)成射頻信號(hào)的被動(dòng)天線。此外，電網(wǎng)內(nèi)的各種設(shè)備開(kāi)、關(guān)和運(yùn)行中形成的騷動(dòng)也在電網(wǎng)中肆意流傳。上述干擾對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的敏感設(shè)備的可靠工作造成威脅。射頻信號(hào)在電源線上的傳輸是以兩種模式進(jìn)行的，一種是共模型式，在線一大地及中線一大地兩個(gè)路徑上出現(xiàn);另一種是差模型式，在線一中線里傳播。
　　電源線濾波器則被安插在電源線上，專(zhuān)門(mén)用來(lái)抑制射頻信號(hào)傳播的器件。
　　在電源線濾波器設(shè)計(jì)中往往不用差模電感，而采用共模電感。共模電感的兩個(gè)線圈繞在同一磁芯上(同名端在線圈的同一側(cè))，這種繞線方法對(duì)于差模電流(包括電源電流)產(chǎn)生的磁通相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生磁路飽和;而對(duì)共模電流則體現(xiàn)一個(gè)很大的電感，取得大的濾波效果。
　　應(yīng)當(dāng)指出的是，共模電感器的兩個(gè)線圈繞制不可能完全對(duì)稱，因此共模電感器實(shí)際上還是殘留一定程度的差模電感成分，對(duì)于差模干擾仍有一定程度抑制作用。
　　這樣看來(lái)，無(wú)論是信號(hào)線或者是電源線，從抑制電磁干擾的角度出發(fā)，用得最多的還是共模抑制措施。因此從使用片式電感器的角度出發(fā)，用得最多的還是片式共模電感器。另外，從電磁兼容對(duì)策器件生產(chǎn)商提供的電感器來(lái)說(shuō)也是片式共模電感器。
　　4 片式共模電感器舉例
　　1)片式共模電感例
　　這里舉日本村田制作所的片式共模電感為例，村田的片式共模電感擁有多個(gè)不同的子系列，其中：
　　DLP S系列為薄膜型片式共模電感，在一個(gè)元件中含有一個(gè)雙路工作的共模電感。該系列產(chǎn)品有線路阻抗匹配功能(共模阻抗為67～550 Ω，其間有若干檔)，可在不造成高速信號(hào)傳輸失真情況下實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的噪聲抑制。用于USB 2.0、IEEE 1934、LVDS的高速差分信號(hào)線的共模噪聲抑制。常用于移動(dòng)電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼錄像機(jī)。
　　DLP D系列為薄膜型片式共模電感，在一個(gè)元件中含有兩個(gè)雙路工作的共模電感。該系列產(chǎn)品有線路阻抗匹配功能(共模阻抗為67～440Ω，其間有若干檔)，可在不造成高速信號(hào)傳輸失真情況下實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的噪聲抑制。用于USB 2.0、IEEE1934、LVDS、 DVI、HDMI的高速差分信號(hào)線的共模噪聲抑制。常用于電腦、筆記本電腦主板、打印機(jī)、掃描儀、LED顯示器、游戲機(jī)和電腦外圍設(shè)備。
　　DLM G系列疊層共模電感，其中DLM11G可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)共模和差模噪聲的抑制。在100MHz時(shí)的共模阻抗為600Ω，差模阻抗為1 200Ω。可采取高密度安裝(窄中心距)，用于個(gè)人移動(dòng)通信設(shè)備(如移動(dòng)電話的麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和耳機(jī))，以及電活機(jī)和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備(PDA、數(shù)碼相機(jī)、 MD播放機(jī))的噪聲抑制。
　　另一種，D L M 2 H G疊層共模電感，它100MHz時(shí)的共模阻抗為600Ω，內(nèi)部含有三根連接線，可用于高品質(zhì)的數(shù)字音樂(lè)設(shè)備的耳機(jī)線。特點(diǎn)是音頻信號(hào)失真低，串音低，對(duì)共模和差模噪聲均有抑制能力。典型應(yīng)用例子有DVD、MD播放機(jī)、筆記本電腦和PDAM的耳機(jī)線。
　　DLW21S系列繞線型片式共模電感，它的共模阻抗為67～370Ω，中間有若干檔次，可匹配阻抗為100Ω的線路，在不造成高速信號(hào)傳輸失真情況下實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的噪聲抑制;小尺寸更實(shí)現(xiàn)了高密度裝配。常用在DVD錄像機(jī)、電腦、LCD電視機(jī)和顯示器中用于數(shù)字AV接口(如HDMI和DVI等)、電腦外設(shè)的USB線，筆記本電腦和LCD的LVDS線的USB線。
　　DLW31S系列繞線型片式共模電感，共模阻抗為90～2200 Ω，在高頻時(shí)的高共模阻抗對(duì)噪聲有極好的抑制功能，DLW31S的高耦合性能可在不造成高速信號(hào)傳輸失真的情況下實(shí)現(xiàn)差分線的噪聲抑制。常用于電腦、外設(shè)中的USB線，筆記本電腦和LCD的LVDS線。
　　DLW21H系列繞線型片式電感，共模阻抗有67、90、120和180Ω幾種，由于DLW21H系列的高耦合性，不會(huì)對(duì)高速信號(hào)傳輸造成失真，常用在小而薄的數(shù)字設(shè)備(如電腦、外設(shè)和通信設(shè)備)中的信號(hào)差分線(USB2.0、IEEE1934和LVDS)共模噪聲抑制。
　　DLW5AH/5BS系列高性能繞線型片式共模電感，其外形尺寸為5.0×5.0×4.5mm，共模阻抗達(dá)到190～4 000Ω，通過(guò)電流為200mA～5A。由于100MHz時(shí)的共模阻抗最大值可達(dá)到4 000Ω，實(shí)現(xiàn)了大的噪聲抑制。另外，由于最大通過(guò)電流可達(dá)5A，非常適合于在電源線上使用。該系列的高耦合共模結(jié)構(gòu)不會(huì)損害高速信號(hào)的傳輸。可用于便攜設(shè)備的AC適配器中的直流電源線。DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池充電器中的直流電源線。DLW 5 BT系列繞線型片式共模電感，外形尺寸為5.0×5.0×2.5mm，該系列電感為薄型結(jié)構(gòu)。在100MHz時(shí)的共模阻抗最大值可達(dá)1 400Ω，最大通過(guò)電流可達(dá)6A。適合于DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池充電器等電源設(shè)備;PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、筆記本電腦、打印機(jī)等便攜設(shè)備使用。

2)片式共模電感的應(yīng)用
　　(1)USB接口噪聲的抑制例
　　USB接口噪聲的抑制例見(jiàn)圖4，其中VDD/GND線用DLW5BSN35 1SQ2高性能繞線型共模電感(或BLM21PG221SN1片式磁珠);D+/D一線用DLP31SN221SL2或DLP31SN121SL2片式共模電感(如采用片式磁珠，對(duì)1.5Mbps傳輸速率用BLM21BD102SN1，對(duì)12Mbps用BLM21BB221SN1)。

　　圖5為筆記本電腦液晶顯示器部分的噪聲抑制方案，利用共模電感可以很方便地將有用信號(hào)與線間串?dāng)_信號(hào)(共模干擾)分離開(kāi)來(lái)。

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