1、電感元件介紹,A.基本原理 B.名詞參數(shù) C.電感分類,D.磁性材料 E.電感選擇 F.Noise,A.基本原理,電感係屬電子被動(dòng)元件,其作用在抑制電流的變化,亦常被稱之為”交流電阻”,其抑制電流變化的功能及磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量的能力為電感最有效能的特性,電流流經(jīng)一電感時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),而磁場(chǎng)的變化會(huì)在產(chǎn)生電流的方向感應(yīng)一電壓,這種抑制電流變化的特性被稱之為電感值,由一電流變化而在電感兩端產(chǎn)生的電壓可被定義成: V= L di/dt 因而感應(yīng)電壓正比於電感值及電流變化速率.,A.基本原理,一般電感器除了理想電感成份外, 在(鐵)芯內(nèi)外均有各式不理想成份存在。在(鐵)芯外, 有因輸出導(dǎo)腳間、以及繞線間之並聯(lián)

2、等效電容, 以及導(dǎo)腳和繞線所形成之串聯(lián)等效電阻。在(鐵)芯內(nèi), 有磁化延遲, 磁滯損失以及渦流損失等形成之串、並聯(lián)等效電阻。一般將之簡(jiǎn)化為如下圖之近似等效電路。,A.基本原理,電感器之近似等效電路,B.名詞參數(shù),1.靜態(tài)電感值 L0 ( Inductance ) : 在無(wú)任何外加電流負(fù)載情況下的起始電感值,一般使用 LCR Meter測(cè)試.,B.名詞參數(shù),2.測(cè)試頻率 f ( Frequency ) : 使用LCR Meter 測(cè)試時(shí)的頻率條件.其頻率輸出為一無(wú) 負(fù)載之正弦波訊號(hào).,3.測(cè)試電壓 V ( Voltage ) : 使用LCR Meter 測(cè)試時(shí)的電壓條件.,Bpk = Vrms

3、/ 4.44ANf 環(huán)型線圈磁束密度計(jì)算公式,4.電感值公差 ( Inductance Tolerance ) : 標(biāo)準(zhǔn)電感值公差一般以英文字母表示如下表:,B.名詞參數(shù),5.額定電流 Irms ( Rate Current ) : 泛指電感線圈通過(guò)電流負(fù)載時(shí),因銅線阻抗所造成的溫昇達(dá) 到額定溫度時(shí)的電流值,決定銅線溫昇的主因?yàn)橹绷鲹p耗及 高頻集膚效應(yīng).,W = I x DCR 銅線損耗計(jì)算,B.名詞參數(shù),6.飽和電流 Isat ( Saturation Current ) : 當(dāng)電流上升而導(dǎo)致電感值下降的現(xiàn)象稱之為磁飽和,電感的 飽和電流會(huì)隨著製造廠的定義有所不同,常見(jiàn)為導(dǎo)致靜態(tài)電 感達(dá)到8

4、0%為標(biāo)準(zhǔn).下圖為磁飽和示意:,B= /A B: 磁束密度 : 磁力線數(shù) A: 磁體截面積,H=NI / l H: 磁場(chǎng)強(qiáng)度 N: 銅線圈數(shù) I: 電流 l:平均磁路徑, =B /H : 導(dǎo)磁率,L = NA/ l,”,” 的現(xiàn)象稱為磁飽和,7.銅線阻抗 DCR ( DC Resistance ) : 靜態(tài)測(cè)試時(shí)的銅線阻抗,可藉由DCR值的大小來(lái)判定電感的額 定電流值是否正確.,B.參數(shù)定義,8.導(dǎo)磁率 ( Permeability ) : 導(dǎo)磁率是以描述材料被磁化之難易程度,亦即導(dǎo)通磁力線之 能力.對(duì)相同材料而言,導(dǎo)磁率並非一個(gè)定常數(shù),其與外加磁 場(chǎng)強(qiáng)度(H)及磁通密度(B)之比例有關(guān)。,9

5、. AL值 : 由於使用透磁率換算電感值時(shí)需要冗長(zhǎng)的計(jì)算程序，所以 供應(yīng)商都會(huì)提供比較容易執(zhí)行換算的AL值.,B.名詞參數(shù),L = AL x N AL公式應(yīng)用,10. Core Loss : 磁性材料在磁電能量轉(zhuǎn)換當(dāng)中,會(huì)有能量轉(zhuǎn)換的功率損耗, 通常耗功以熱能方式表現(xiàn),可分類如下: a.磁滯損耗 (低頻影響大) b.渦流損耗 (高頻影響大) c.剩餘損耗 (一般忽略不記),C.電感分類,由於電感的形成乃是由導(dǎo)電體繞過(guò)磁性體後,形成一環(huán)狀迴路稱之為線圈,而其形式更是複雜多變,大致上可以依下列所示區(qū)分: 1.SMD 表面黏著式. 1.1積層式晶片電感: 常用於抑制電子迴路上的低 功率高頻雜訊.各式

6、應(yīng)用皆能發(fā)現(xiàn)其蹤跡.,QT,QTL SERIES,QHL SERIES,C.電感分類,1.2繞線式晶片電感:提供高電流特性的晶片電感. 常見(jiàn)應(yīng)用實(shí)例如: LCD Monitor, DVD Recorder, xDSL, Cable Modem, Mother Board, VGA Card, Notebook PC.,CML SERIES,QPI SERIES,開(kāi)放型磁路,開(kāi)放型磁路,C.電感分類,1.3開(kāi)磁路SMD功率電感:適用於各式DC/DC儲(chǔ)能 電感運(yùn)用.,QPC SERIES,SPT SERIES,開(kāi)放型磁路,開(kāi)放型磁路,C.電感分類,1.4閉磁路SMD功率電感:適用於各式DC/DC儲(chǔ)

7、能 電感運(yùn)用.,QPCR SERIES,QPCRH SERIES,C.電感分類,封閉型磁路,封閉型磁路,2.DIP 插件式. 2.1色碼電感:,AL SERIES,DR SERIES,2.2 開(kāi)磁路工字型電感,開(kāi)放型磁路,開(kāi)放型磁路,C.電感分類,DRR SERIES,2.2 閉磁路工字型(加磁套)電感,C.電感分類,2.3 開(kāi)磁路棒型電感:,R SERIES,開(kāi)放型磁路,封閉型磁路,M SERIES,2.4閉磁路環(huán)型電感:適用於各式大電流電源儲(chǔ) 能電感運(yùn)用. 常見(jiàn)應(yīng)用實(shí)例如:主機(jī)板、伺服器、電源供應(yīng) 器、多功能事務(wù)機(jī)、直流轉(zhuǎn)換器 .,封閉型磁路,C.電感分類,D.磁性材料,D.磁性材料,電感

8、設(shè)計(jì)時(shí),磁性材料的選擇是不可或缺的條件, 正確的磁性材料選擇除了會(huì)讓特性應(yīng)用更佳外,在價(jià) 格上及安全考量上也會(huì)有突出的表現(xiàn).,簡(jiǎn)易應(yīng)用分類: 1.電壓轉(zhuǎn)換 ( Ferrite, Amorphous, 矽鋼片 ) 2.電感儲(chǔ)能 ( Powder Core, Gapped Ferrite ) 3.電感耗能 ( Ferrite, Amorphous, Air ),磁性材料簡(jiǎn)表,D.磁性材料,Ferrite Mn-Zn : 優(yōu)點(diǎn): 導(dǎo)磁率高,低能量轉(zhuǎn)換損耗,飽和磁束密度高. 缺點(diǎn):電阻值低,導(dǎo)磁律公差較大,熱敏感度高. Ni-Zn : 優(yōu)點(diǎn): 電阻值高,價(jià)格低,容易加工. 缺點(diǎn): 飽和磁束密度低,熱敏

9、感度高.,D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Mn-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Mn-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Ni-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Ni-Zn),D.磁性材料,D.磁性材料,Powder Core 單位導(dǎo)磁體以粉末組成,粉末顆粒間使用絕緣接著劑區(qū)隔,造成材料內(nèi) 部擁有許多空氣隙(Air Gap),以達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)有較低的磁束密度變 化,常用在電感儲(chǔ)能的應(yīng)用.,D.磁性材料,Powder Core (磁飽和計(jì)算),F. 電感選擇,在此探討主機(jī)板VRM迴路中所需要的電感,以下為三相脈 衝調(diào)變輸出迴路示意:,

10、F.電感選擇,L1 : 為VRM前級(jí)先行作12V輸入電壓濾波,在VRM10.x標(biāo) 準(zhǔn)中其最大負(fù)載電流為9.17A,由於磁場(chǎng)強(qiáng)度不大,因 此可以使用容易製作的環(huán)型線圈或是棒型線圈設(shè)計(jì). 基本上選用時(shí)以尺寸及單價(jià)為最大設(shè)計(jì)考量.,F.電感選擇,常見(jiàn)使用電感值為: 1.0uH 2.2uH,L2 L3 L4 : 為VRM迴路之輸出濾波電感,其電感需求會(huì)隨 著電源管理IC的脈沖輸出頻率上升而下降,由於其輸出 電流往往達(dá)到30A40A的高負(fù)載,所以對(duì)於直流阻抗的 要求就相對(duì)嚴(yán)苛,一般來(lái)說(shuō)DCR必須小於1.0mohm的標(biāo) 準(zhǔn),在加上電流偵測(cè)迴路需加上DCR條件盡,F.電感選擇,PWM調(diào)變頻率對(duì)電感值的選用表

11、,目前VRM10.x的設(shè)計(jì)規(guī)格是由CPU大廠Intel所提出,其公 板VRM迴路設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)縮短CPU間傳輸距離,其目的是降低傳 輸?shù)闹绷鲹p耗,並藉由CPU上方的風(fēng)扇來(lái)協(xié)助VRM迴路散熱, 為符合此散熱設(shè)計(jì)方式,電感線圈高度必須限制在10mm以下.,F.電感選擇,VRM Choke 特性範(fàn)例,G. Noise,由於主機(jī)板上電壓調(diào)整模組(VRM)的電流負(fù)載趨勢(shì)越來(lái) 越高,導(dǎo)致電感線圈必須擁有高儲(chǔ)能特性,而這些高儲(chǔ)能特性的 需求必須藉由磁性材料間的空氣隙(Air Gap)來(lái)達(dá)成,相對(duì)也容 易造成導(dǎo)磁單體間的磁壁磨擦,藉由空氣傳導(dǎo) 20Hz20KHz的 人耳可判定噪音. VRM Choke 常使用Iron Power Core作為導(dǎo)磁材料,鐵芯 本身是由很多細(xì)小的鐵粉顆粒攪拌接著劑後成型.結(jié)構(gòu)如下圖:,G.Noise解決,55 ui,35 ui Gap多,35 ui Gap大,在Iron Power Core內(nèi)部之導(dǎo)磁單體為鐵粉顆粒,當(dāng)環(huán)型線 圈產(chǎn)生噪音時(shí),我們可以使用粒徑更小的鐵粉,以降低顆粒間 Gap距離,增加Gap數(shù)量.其作用是導(dǎo)致磁壁間摩擦所產(chǎn)生的振 動(dòng)頻率超出一般聽(tīng)力20KHz的範(fàn)圍. VRM Choke除了環(huán)型線圈之外,還可以看到一些外觀成方 型的電感,大部分的磁