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片式电感及其应用无源器件

发布时间:2019-12-01 16:36:15 编辑:笔名

  片式电感及其应用 - 无源器件/分立半导体 - 电子工程

  按照电感器路中发挥的功能,主要有两方面的应用,分别是波形发生器和扼流电抗器。其中,在波形发生方面的应用又包括了谐振电路,振荡电路,时钟电路和脉冲电路等。在这类电路中,电感器必须具有高Q、小的电感偏差和稳定的温度系数。高的Q值使电路具有尖锐的谐振峰值;窄的电感偏差则保证了谐振频率偏差尽可能的小;而稳定的温度系数则保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。

  而扼流电抗器是将电感作为扼流圈来使用,这在电源电路中有广泛应用。这时电感器的主要参数是额定的工作电流、低的直流电阻和低的Q值。

  当电感作为扼流电抗器来使用时,总希望用它构成的滤波电路具有宽的频率抑制特性,因此,这种电感器并不需要有高的Q值。而低的直流电阻可以保证在额定电流通过电感器时,将有最小的电压降。

  这样看来,同样是一个电感器,不同的应用场合中对电感器性能要求是不同的。

  1 片式电感

  片式电感分为绕线型和叠层型两大类。绕线型电感器是将细的导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成,外层一般用树脂封固。其工艺继承性强,但体积小型化有限。

  而片式叠层电感器则不用绕线,是用铁氧体浆料和导体浆料交替印刷、叠层、烧结,形成闭合磁路;它采用先进的厚膜多层钝化技术和叠层生产工艺,实现了超小型表面安装。

  叠层型电感的主要特点是有磁屏蔽和直流电阻小。与绕线型相比,电感量和可允许通过的电流相对较小,但是更适合在高频下使用。

  片式电感的材料分成以铁氧体磁性材料为基体和以陶瓷材料为基体两个大类。

  前者采用镍锌系和锰锌系材料制成各种小型铁氧体磁芯。大多数片式电感器,特别是片式功率电感器、片式EMI抑制器都使用镍锌系材料。

  而锰锌系材料主要用在片式变压器和片式低频电感器中。

  后者采用低介电常数陶瓷制成的高频片式叠层电感器,在其制作当中还考虑了抑制杂散电容的问题,用它做成的叠层电感器可以获得较高的自谐振频率,用在亚微波到微波波段,适合移动向高频化、络化发展的需要。

  1)片式叠层电感器

  片式叠层电感器,是电感领域重点开发的产品。制作时不用绕线,而用铁氧体浆料和导电浆料交替进行多层印刷,然后通过高温共烧结,形成有闭合磁路的电感线圈 (见图1)。或者将微米级铁氧体薄片进行叠层,每个磁性层有印刷的导体图案和孔,孔中填充导电材料,从而把上层图案和下层图案连结起来,经过加压、烧结,形成一体化的多层电感器。这类电感器制作工艺更加适合尺寸微小型化,容易实现规模化大生产。片式叠层电感器与片式绕线电感器相比有诸多优点:尺寸小,有利于电路的小型化;磁路封闭,不会干扰周围的元器件,也不会受临近元器件的干扰,有利于元器件的高密度安装;一体化结构,可靠性高;耐热性、可焊性好;形状规整,适合于自动化表面安装生产。

  目前这类产品已取得较大进展,并通过改进磁性材料性能、改善内部磁路结构和加速器件小型化等措施,不断拓展其应用市场。片式叠层电感器是面向便携式等移动通信终端的高频毫微亨级电感器,以及面向个人电脑等高速数字信号处理设备的噪声抑制器。

  2)绕线型片式电感

  另一种形式的片式电感器是片式绕线电感器,这是对传统绕线型电感器的一种改进,采用微小型工字型磁芯,经绕线、焊接、电极成型、塑封等工序制成,见图2。这种类型的片式电感生产工艺简单,电性能优良(电感量大,品质因素高),适合于大电流通过,可靠性好。但受磁芯尺寸和制造工艺限制,进一步微小型有困难。

  还有一种片式绕线电感是采用H型陶瓷芯,经过绕线、焊接、涂复、环氧树脂灌封等工艺制成,见图3,由于电极已预制在陶瓷芯体上,制造工艺更加简单,而且可以进一步小型化。这类电感的电感量较小,但自谐振频率高(通常为5~6GHz,最高达12.5GHz),更适合高频使用。

  2 片式电感与片式磁珠的区别

  在《片式电磁兼容对策器件》这个话题中,片式电感主要是用来抑制电磁干扰的发生。所以比较电感器与磁珠(包括片式电感与片式磁珠)也应该从这个主题出发。

  电感器本身是一个无功元件,它在电路中不消耗能量。电感器之所以能够阻止高频信号路中流通,发挥对电磁干扰的抑制作用,是因为电感器在高频信号作用下体现了一个高阻抗元件,阻止了高频信号路中的流通,而将高频信号反射回干扰源。就这个应用的频率范围来说,很少有超过50MHz的。

  对磁珠来说,它本身是一个软磁铁氧体磁芯,串联在需要抑制干扰的线路上,诚然在频率较低时,铁氧体磁珠在串联电路上仍然体现为一个电感。然而对于频率更高的干扰,由于磁芯的磁导率的降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小,因此磁珠电感对于高频干扰的阻挡作用在减少。而与此同时,磁芯的损耗(涡流损耗) 却在增加。后者等效为损耗电阻,电阻成分的增加,导致磁珠路上的总阻抗依然在增加,所以当高频干扰通过铁氧体时,磁珠对高频干扰的阻挡作用依然在增加,不过这次磁珠不是将高频干扰反射回干扰源,而是将高频干扰转换成热能的形式给耗散掉了。

  这样看来,电感器和磁珠在结构上没有本质性的不同,但是从抑制干扰的机理(依照抑制干扰的频率范围来划分)来说,两者明显是不同的,一个是将干扰反射回干扰源(指电感),另一个是将干扰吸收掉(指磁珠)。

  3 片式共模电感器

  在电子设备中,我们要抑制的电磁干扰无非是出现在信号线和电源线上的干扰,因此对于电磁兼容对策器件中的电感器,特别是片式电感器的适用形式也是从这两方面来分析。

  1)信号线的滤波

  信号线的滤波作用更多是用来对付来自空间的干扰问题(包括从空间辐射进设备的干扰,和设备向空间发射的干扰)。这说明了电缆线是电磁兼容的薄弱环节,也说明了共模干扰是设备的主要危害。这是信号线所起的天线作用惹的祸。基于这一原因,对于非屏蔽的信号线端口应当安装信号线滤波器,滤波器要安装在信号线进出的交界面上,要滤除的主要是一些频率相当高的共模干扰信号。

  2)电源线的滤波

  在设备的电磁干扰的传播途径中,电源线是最重要的媒介,因为电源线的长度(包括设备的电源进线和电力传输的架空线延伸)足以构成射频信号的被动天线。此外,电内的各种设备开、关和运行中形成的骚动也在电中肆意流传。上述干扰对电内的敏感设备的可靠工作造成威胁。射频信号在电源线上的传输是以两种模式进行的,一种是共模型式,一大地及中线一大地两个路径上出现;另一种是差模型式,一中线里传播。

  电源线滤波器则被安插在电源线上,专门用来抑制射频信号传播的器件。

  在电源线滤波器设计中往往不用差模电感,而采用共模电感。共模电感的两个线圈绕在同一磁芯上(同名端圈的同一侧),这种绕线方法对于差模电流(包括电源电流)产生的磁通相互抵消,不会产生磁路饱和;而对共模电流则体现一个很大的电感,取得大的滤波效果。

  应当指出的是,共模电感器的两个线圈绕制不可能完全对称,因此共模电感器实际上还是残留一定程度的差模电感成分,对于差模干扰仍有一定程度抑制作用。

  这样看来,无论是信号线或者是电源线,从抑制电磁干扰的角度出发,用得最多的还是共模抑制措施。因此从使用片式电感器的角度出发,用得最多的还是片式共模电感器。另外,从电磁兼容对策器件生产商提供的电感器来说也是片式共模电感器。

  4 片式共模电感器举例

  1)片式共模电感例

  这里举日本村田制作所的片式共模电感为例,村田的片式共模电感拥有多个不同的子系列,其中:

  DLP S系列为薄膜型片式共模电感,在一个元件中含有一个双路工作的共模电感。该系列产品有线路阻抗匹配功能(共模阻抗为67~550 Ω,其间有若干档),可在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制。用于USB 2.0、IEEE 1934、LVDS的高速差分信号线的共模噪声抑制。常用于移动、笔记本电脑、数码相机和数码录像机。

  DLP D系列为薄膜型片式共模电感,在一个元件中含有两个双路工作的共模电感。该系列产品有线路阻抗匹配功能(共模阻抗为67~440Ω,其间有若干档),可在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制。用于USB 2.0、IEEE1934、LVDS、 DVI、HDMI的高速差分信号线的共模噪声抑制。常用于电脑、笔记本电脑主板、打印机、扫描仪、LED显示器、游戏机和电脑外围设备。

  DLM G系列叠层共模电感,其中DLM11G可以同时实现共模和差模噪声的抑制。在100MHz时的共模阻抗为600Ω,差模阻抗为1 200Ω。可采取高密度安装(窄中心距),用于个人移动通信设备(如移动的麦克风、扬声器和耳机),以及电活机和个人移动设备(PDA、数码相机、 MD播放机)的噪声抑制。

  另一种,D L M 2 H G叠层共模电感,它100MHz时的共模阻抗为600Ω,内部含有三根连接线,可用于高品质的数字音乐设备的耳机线。特点是音频信号失真低,串音低,对共模和差模噪声均有抑制能力。典型应用例子有DVD、MD播放机、笔记本电脑和PDAM的耳机线。

  DLW21S系列绕线型片式共模电感,它的共模阻抗为67~370Ω,中间有若干档次,可匹配阻抗为100Ω的线路,在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制;小尺寸更实现了高密度装配。常用在DVD录像机、电脑、LCD电视机和显示器中用于数字AV接口(如HDMI和DVI等)、电脑外设的USB线,笔记本电脑和LCD的LVDS线的USB线。

  DLW31S系列绕线型片式共模电感,共模阻抗为90~2200 Ω,在高频时的高共模阻抗对噪声有极好的抑制功能,DLW31S的高耦合性能可在不造成高速信号传输失真的情况下实现差分线的噪声抑制。常用于电脑、外设中的USB线,笔记本电脑和LCD的LVDS线。

  DLW21H系列绕线型片式电感,共模阻抗有67、90、120和180Ω几种,由于DLW21H系列的高耦合性,不会对高速信号传输造成失真,常用在小而薄的数字设备(如电脑、外设和通信设备)中的信号差分线(USB2.0、IEEE1934和LVDS)共模噪声抑制。

  DLW5AH/5BS系列高性能绕线型片式共模电感,其外形尺寸为5.0×5.0×4.5mm,共模阻抗达到190~4 000Ω,通过电流为200mA~5A。由于100MHz时的共模阻抗最大值可达到4 000Ω,实现了大的噪声抑制。另外,由于最大通过电流可达5A,非常适合于在电源线上使用。该系列的高耦合共模结构不会损害高速信号的传输。可用于便携设备的AC适配器中的直流电源线。DC-DC转换器、电池充电器中的直流电源线。DLW 5 BT系列绕线型片式共模电感,外形尺寸为5.0×5.0×2.5mm,该系列电感为薄型结构。在100MHz时的共模阻抗最大值可达1 400Ω,最大通过电流可达6A。适合于DC-DC转换器、电池充电器等电源设备;PDA(个人数字助理)、笔记本电脑、打印机等便携设备使用。

  2)片式共模电感的应用

  (1)USB接口噪声的抑制例

  USB接口噪声的抑制例见图4,其中VDD/GND线用DLW5BSN35 1SQ2高性能绕线型共模电感(或BLM21PG221SN1片式磁珠);D+/D一线用DLP31SN221SL2或DLP31SN121SL2片式共模电感(如采用片式磁珠,对1.5Mbps传输速率用BLM21BD102SN1,对12Mbps用BLM21BB221SN1)。

  图5为笔记本电脑液晶显示器部分的噪声抑制方案,利用共模电感可以很方便地将有用信号与线间串扰信号(共模干扰)分离开来。

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