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電感器之電氣特性及封裝結(jié)構(gòu)

來(lái)源: | 發(fā)布日期:2022-09-07
  在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器并挑選電感器時(shí),電感值L、阻抗Z、交流電阻ACR與Q值(quality factor)、額定電流IDC與ISAT、以及鐵芯損失(core loss)等等重要的電氣特性都必須考慮。此外,電感器的封裝結(jié)構(gòu)會(huì)影響漏磁大小,進(jìn)而影響EMI。以下將分別探討上述之特性,以作為選擇電感器之考慮。
  1、 電感值(L)

  電感器之電感值在電路設(shè)計(jì)時(shí)為最重要的基本參數(shù),但必須看在工作頻率下此電感值是否穩(wěn)定。電感的標(biāo)稱值通常是在沒(méi)有外加直流偏置的條件下,以100 kHz或1 MHz所量得。且為確保大量自動(dòng)化生產(chǎn)的可能性,電感之容差值(tolerance)通常是 ±20%(M)與±30%(N)居多。在高頻段因寄生電容與電感所產(chǎn)生的諧振,電感值會(huì)上升,此諧振頻率稱為自我諧振頻率(self-resonant frequency;SRF),通常需遠(yuǎn)高于工作頻率。


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  2、 阻抗(Z)
  電感的阻抗約與頻率成正比(Z=2πfL),因此頻率愈高,電抗會(huì)比交流電阻大很多,所以阻抗表現(xiàn)就如同純電感(相位為90)。而再往高頻,由于寄生電容效應(yīng),可以看到阻抗的自我諧振頻率點(diǎn),過(guò)了此點(diǎn)阻抗下降呈現(xiàn)電容性,且相位逐漸轉(zhuǎn)為-90 。
  3、 Q值與交流電阻(ACR)
  Q值在電感的定義中為電抗與電阻的比值,也就是阻抗中虛數(shù)部分與實(shí)數(shù)部分的比。
  其中XL為電感器之電抗,RL為電感器之交流電阻。
  在低頻段,交流電阻比電感造成的電抗大,所以其Q值很低;隨著頻率增加,電抗(約為2πfL)愈來(lái)愈大,即使電阻因集膚效應(yīng)(skin effect)與鄰近(proximity effect)效應(yīng)愈來(lái)愈大,Q值仍隨頻率增加;在接近SRF時(shí),電感抗逐漸為電容抗抵消,Q值又逐漸變小;在SRF時(shí)變?yōu)榱?,因電感抗與電容抗完全相消。
  在電感的應(yīng)用頻段里,Q值愈高愈好;表示其電抗遠(yuǎn)大于交流電阻。一般而言,Q值最好達(dá)到40以上,表示此電感的質(zhì)量佳。然而,一般隨直流偏置增加,電感值會(huì)下降,Q值也會(huì)降低。若采用扁平漆包線或多股漆包線,可以降低集膚效應(yīng),即交流電阻,也就可以提升電感的Q值。
  直流電阻DCR一般多認(rèn)為是銅線的直流電阻,此電阻可依線徑與長(zhǎng)度計(jì)算。然而大部分小電流SMD電感在繞線終端會(huì)用超音波焊接做SMD的銅片,但因?yàn)殂~線長(zhǎng)度不長(zhǎng),電阻值不高,因此焊接電阻常會(huì)占整體直流電阻相當(dāng)?shù)谋壤?。以TDK之繞線式SMD電感CLF6045NIT-1R5N為例,其量測(cè)直流電阻為14。6mΩ,而依線徑及長(zhǎng)度計(jì)算之直流電阻為12。1mΩ。結(jié)果顯示此焊接電阻約占整體直流電阻的17%。
  交流電阻ACR則因有集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng),而會(huì)造成ACR隨頻率增加;一般電感的應(yīng)用,因交流成份遠(yuǎn)低于直流成份,所以ACR造成的影響并不明顯;但是在輕載時(shí),因?yàn)橹绷鞒煞萁档停珹CR造成的損耗便不能忽略。集膚效應(yīng)即在交流的條件下,導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻而集中在導(dǎo)線的表面,造成等效導(dǎo)線截面積降低,進(jìn)而使導(dǎo)線的等效電阻隨頻率提高。另外,在一個(gè)導(dǎo)線繞組中,相鄰的導(dǎo)線會(huì)因電流造成磁場(chǎng)的相加減,使得電流集中在導(dǎo)線鄰近的表面(或最遠(yuǎn)的表面,視電流方向而定),同樣造成等效導(dǎo)線截面積降低,等效電阻提高的現(xiàn)象,即所謂的鄰近效應(yīng);在一個(gè)多層繞組的電感應(yīng)用里,鄰近效應(yīng)更是明顯。
  在頻率為1kHz時(shí),電阻約為360mΩ;到了100kHz,電阻上升到775mΩ;在10MHz時(shí)電阻值接近160Ω。在估算銅損時(shí),其計(jì)算須考慮集膚與鄰近效應(yīng)造成的ACR,并修正成式。
  IAC,i為某諧波頻率的RMS電流,RAC,i為該頻率下之交流電阻。
  4、 飽和電流(ISAT)
  在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值,還要考慮電感可承受的電流,繞線電阻,機(jī)械尺寸等等。

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