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电感器之电气特性及封装结构

来源: | 发布日期:2022-09-07
  在设计开关转换器并挑选电感器时,电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR与Q值(quality factor)、额定电流IDC与ISAT、以及铁芯损失(core loss)等等重要的电气特性都必须考虑。此外,电感器的封装结构会影响漏磁大小,进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性,以作为选择电感器之考虑。
  1、 电感值(L)

  电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数,但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下,以100 kHz或1 MHz所量得。且为确保大量自动化生产的可能性,电感之容差值(tolerance)通常是 ±20%(M)与±30%(N)居多。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升,此谐振频率称为自我谐振频率(self-resonant frequency;SRF),通常需远高于工作频率。


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  2、 阻抗(Z)
  电感的阻抗约与频率成正比(Z=2πfL),因此频率愈高,电抗会比交流电阻大很多,所以阻抗表现就如同纯电感(相位为90)。而再往高频,由于寄生电容效应,可以看到阻抗的自我谐振频率点,过了此点阻抗下降呈现电容性,且相位逐渐转为-90 。
  3、 Q值与交流电阻(ACR)
  Q值在电感的定义中为电抗与电阻的比值,也就是阻抗中虚数部分与实数部分的比。
  其中XL为电感器之电抗,RL为电感器之交流电阻。
  在低频段,交流电阻比电感造成的电抗大,所以其Q值很低;随着频率增加,电抗(约为2πfL)愈来愈大,即使电阻因集肤效应(skin effect)与邻近(proximity effect)效应愈来愈大,Q值仍随频率增加;在接近SRF时,电感抗逐渐为电容抗抵消,Q值又逐渐变小;在SRF时变为零,因电感抗与电容抗完全相消。
  在电感的应用频段里,Q值愈高愈好;表示其电抗远大于交流电阻。一般而言,Q值最好达到40以上,表示此电感的质量佳。然而,一般随直流偏置增加,电感值会下降,Q值也会降低。若采用扁平漆包线或多股漆包线,可以降低集肤效应,即交流电阻,也就可以提升电感的Q值。
  直流电阻DCR一般多认为是铜线的直流电阻,此电阻可依线径与长度计算。然而大部分小电流SMD电感在绕线终端会用超音波焊接做SMD的铜片,但因为铜线长度不长,电阻值不高,因此焊接电阻常会占整体直流电阻相当的比例。以TDK之绕线式SMD电感CLF6045NIT-1R5N为例,其量测直流电阻为14。6mΩ,而依线径及长度计算之直流电阻为12。1mΩ。结果显示此焊接电阻约占整体直流电阻的17%。
  交流电阻ACR则因有集肤效应与邻近效应,而会造成ACR随频率增加;一般电感的应用,因交流成份远低于直流成份,所以ACR造成的影响并不明显;但是在轻载时,因为直流成份降低,ACR造成的损耗便不能忽略。集肤效应即在交流的条件下,导体内部电流分布不均匀而集中在导线的表面,造成等效导线截面积降低,进而使导线的等效电阻随频率提高。另外,在一个导线绕组中,相邻的导线会因电流造成磁场的相加减,使得电流集中在导线邻近的表面(或最远的表面,视电流方向而定),同样造成等效导线截面积降低,等效电阻提高的现象,即所谓的邻近效应;在一个多层绕组的电感应用里,邻近效应更是明显。
  在频率为1kHz时,电阻约为360mΩ;到了100kHz,电阻上升到775mΩ;在10MHz时电阻值接近160Ω。在估算铜损时,其计算须考虑集肤与邻近效应造成的ACR,并修正成式。
  IAC,i为某谐波频率的RMS电流,RAC,i为该频率下之交流电阻。
  4、 饱和电流(ISAT)
  在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值,还要考虑电感可承受的电流,绕线电阻,机械尺寸等等。

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