Wie wählt man Induktoren aus?
Sep 21, 2023
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Erstens das Grundprinzip der Induktivität
Induktorensind neben Kondensatoren und Widerständen drei grundlegende passive Geräte in der Elektronik. Die Funktion von Induktoren besteht darin, elektrische Energie in Form von Magnetfeldenergie zu speichern.
Am Beispiel einer Zylinderspule wird kurz das Grundprinzip der Induktivität vorgestellt.
Wie in der Abbildung oben gezeigt, bildet sich bei einem konstanten Stromfluss durch die Spule gemäß der Rechtshelixregel ein statisches Magnetfeld in der angegebenen Richtung. Durch den Induktor fließt Wechselstrom, das erzeugte Magnetfeld ist das magnetische Wechselfeld, das sich ändernde Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld und die elektromotorische Induktionskraft an der Spule erzeugt den induzierten Strom:
· Wenn der Strom zunimmt, wird das Magnetfeld stärker und die Richtung des Magnetfelds ändert sich in die gleiche Richtung wie das ursprüngliche Magnetfeld. Gemäß der Linksspiralregel verläuft der erzeugte induzierte Strom in die entgegengesetzte Richtung des ursprünglichen Stroms und der Induktivitätsstrom nimmt ab;
· Wenn sich der Strom ändert, wird das Magnetfeld schwächer und die Richtung des Magnetfelds ist entgegengesetzt zur Richtung des ursprünglichen Magnetfelds. Gemäß der Linksspiralregel hat der erzeugte induzierte Strom die gleiche Richtung wie der ursprüngliche Strom und der Induktorstrom wird größer.
Dies ist das Lenzsche Gesetz, und der Endeffekt besteht darin, dass der Induktor verhindert, dass sich der durch ihn fließende Strom ändert, d. h. der Induktor weist einen hohen Widerstand gegenüber dem Wechselstrom auf. Bei gleicher Induktivität gilt: Je höher die Stromänderungsrate, desto größer der induzierte Strom und desto höher die Impedanz der Induktivität. Wenn sich der Strom bei unterschiedlichen Induktoren gleich schnell ändert und der erzeugte induzierte Strom größer ist, weist der Induktor eine höhere Impedanz auf.
Es ist ersichtlich, dass die Größe der Induktivität mit der Größe der Spule und dem Material des Innenkerns zusammenhängt.
Die Eigenschaften der tatsächlichen Induktivität sind nicht nur die Rolle der Induktivität, sondern auch andere Faktoren, wie zum Beispiel:
· Der in die Spule gewickelte Draht ist kein idealer Leiter und es gibt einen gewissen Widerstand;
· Der magnetische Kern der Induktivität hat einen gewissen Wärmeverlust;
· Zwischen den Leitern im Induktor besteht eine verteilte Kapazität.
Daher muss ein komplexeres Modell verwendet werden, um die tatsächliche Induktivität darzustellen. Das häufig verwendete äquivalente Modell lautet wie folgt:
Die äquivalente Modellform kann unterschiedlich sein, sollte aber in der Lage sein, den Verlust und die verteilte Kapazität widerzuspiegeln. Nach dem Ersatzmodell können zwei wichtige Parameter der tatsächlichen Induktivität definiert werden.
Eigenresonanzfrequenz
Aufgrund der Existenz von Cp wird zusammen mit L ein Resonanzkreis gebildet, dessen Resonanzfrequenz die Eigenresonanzfrequenz der Induktivität ist. Vor der Eigenresonanzfrequenz nimmt die Impedanz des Induktors mit zunehmender Frequenz zu. Nach der Eigenresonanzfrequenz nimmt die Impedanz des Induktors mit steigender Frequenz ab und es entsteht die Kapazität.
Qualitätsfaktor
Das heißt, der Q-Wert des Induktors, das Verhältnis der induktiv gespeicherten Leistung zur Verlustleistung, je höher der Q-Wert, desto geringer der Verlust des Induktors und die Gleichstromimpedanz des Induktors steht in direktem Zusammenhang mit dem Parameter . Eigenresonanzfrequenz und Q-Wert sind die Schlüsselparameter von Hochfrequenzinduktivitäten
Zweitens die Prozessstruktur der Induktivität
Der Prozess der Induktivität kann grob in drei Arten unterteilt werden:
2.1 Drahtgewickelter Typ (Drahtgewickelter Typ)
Wie der Name schon sagt, wird der Kupferdraht zu einer Spule um einen Magnetkern gewickelt. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Draht zu wickeln:
Runde Wunde
Zylinderwicklungen sind weit verbreitet und haben ein breites Anwendungsspektrum, wie zum Beispiel:
Flache Wunde
Der Vorteil der Planarwicklung liegt auf der Hand, das heißt, die Höhe des Gerätes wird reduziert. Aus der vorherigen Formel ist ersichtlich, dass der Induktivitätswert umso größer ist und der Magnetkern umso größer sein kann, je größer die Permeabilität des Magnetkerns ist
· Nichtmagnetische Materialien: wie Luftkern, Keramikkern, es scheint, dass man es nicht als Magnetkern bezeichnen kann; Dieser Induktivitätswert ist klein, aber es gibt grundsätzlich keinen Sättigungsstrom
· Ferromagnetische Materialien: wie Ferrit, Permolegierung usw.; Die Permeabilität der Legierung ist höher als die von Ferrit. Ferromagnetisches Material weist ein magnetisches Sättigungsphänomen und einen Sättigungsstrom auf.
Die Wicklungsinduktivität kann einen hohen Strom und eine hohe Induktivität liefern. Je größer die Permeabilität des Magnetkerns, desto geringer der Gleichstromwiderstand, je weniger Wicklung, desto geringer der Gleichstromwiderstand. Bei gleicher Größe kann weniger Wicklung dick gewickelt werden, was den Strom verbessert.
Darüber hinaus tritt bei der Stromversorgungskonstruktion häufig das Problem des Induktivitätsheulens auf. Das Wesentliche ist, dass die Änderung des Magnetfelds den Leiter verursacht, dh die Vibration der Spule, und die Frequenz der Vibration liegt nur im Ton Reichweite, die das menschliche Ohr hören kann, die integrierte Forminduktivität der Legierung, fester, kann Vibrationen reduzieren.
2.2 Mehrschichtinduktor (Mehrschichttyp)
Der Herstellungsprozess von mehrschichtigen Chip-Induktoren: Die Ferrit- oder Keramikpaste wird getrocknet und geformt, die leitfähige Paste wird abwechselnd gedruckt und die integrierte Struktur wird durch Laminieren und Sintern gebildet.
Der mehrschichtige Chip-Induktor ist kleiner als der Wickelinduktor und verfügt über ein standardisiertes Gehäuse, das für die automatische Montage mit hoher Dichte geeignet ist. Integrierte Struktur, hohe Zuverlässigkeit, gute Hitzebeständigkeit.
2.3 Dünnschichtinduktivität (Dünnschichttyp)
Bei Dünnschichtinduktoren wird ein ähnliches Verfahren wie bei der Herstellung von ICs verwendet. Eine Leiterfilmschicht wird auf das Substrat plattiert, anschließend wird die Spule durch einen Photolithographieprozess geformt und schließlich werden die mittlere Schicht, die Isolationsschicht und die Elektrodenschicht hinzugefügt, um sie zu verpacken und zu formen.
Der Produktionsprozess des Dünnschichtgeräts ist in der folgenden Abbildung dargestellt
Die Präzision des Lithographieprozesses ist hoch, was zu schmaleren Linien und schärferen Kanten führt. Daher haben Dünnschichtinduktoren
· Kleinere Größe, 008004-Paket
· Kleinerer Wertschritt, 0.1nH
· Kleinere Toleranz, 0,05 nH
· Bessere Frequenzstabilität
Drittens die Anwendung und Auswahl von Induktoren
Im Schaltungsdesign gibt es für Induktivitäten drei Hauptanwendungskategorien:
· Leistungsinduktivität: Wird hauptsächlich für die Spannungsumwandlung verwendet, häufig verwendete DCDC-Schaltung zur Verwendung von Leistungsinduktivität;
Entkopplungsinduktivität: Wird hauptsächlich zum Herausfiltern des Rauschens auf der Strom- oder Signalleitung verwendet und sollte EMV-Ingenieuren bekannt sein.
· Hochfrequenzinduktivitäten: werden hauptsächlich in HF-Schaltkreisen verwendet, um Vorspannung, Anpassung, Filterung und andere Schaltkreise zu erreichen.
3.1 Leistungsinduktivität
Leistungsinduktivitäten werden üblicherweise in DCDC-Schaltkreisen verwendet, um durch die Speicherung und Abgabe von Energie einen kontinuierlichen Strom aufrechtzuerhalten.
Bei den meisten Leistungsinduktivitäten handelt es sich um Wicklungsinduktivitäten, die einen hohen Strom und eine hohe Induktivität verbessern können.
Mehrschichtige Chip-Leistungsinduktivitäten werden ebenfalls immer häufiger eingesetzt. Normalerweise sind der Induktivitätswert und der Strom niedrig. Der Vorteil besteht darin, dass die Kosten niedrig sind, das Volumen extrem klein ist und es mehr Anwendungen in Produkten mit großen Platzbeschränkungen wie Mobiltelefonen gibt .
3.2 Entkopplungsinduktoren
Die Entkopplungsinduktivität wird auch Choke genannt, was in Lehrbüchern meist mit Drosselspule übersetzt wird. Die Aufgabe von Entkopplungsinduktoren besteht darin, Störungen auf der Leitung herauszufiltern, die zu EMV-Geräten gehört. EMV-Ingenieure werden hauptsächlich zur Lösung der Prüfprobleme der Strahlungsemission (RE) und der leitungsgebundenen Emission (CE) von Produkten eingesetzt.
Entkopplungsinduktivitäten, meist relativ einfacher Aufbau, meist Kupferdraht direkt auf den Ferritring gewickelt.
Gegentaktinduktivität
Differenzmodusinduktivitäten sind gewöhnliche Wicklungsinduktivitäten, die zum Herausfiltern einiger Differenzmodusstörungen verwendet werden, hauptsächlich zur Bildung von LC-Filtern mit Kondensatoren, um das Rauschen der Stromversorgung zu reduzieren.
Beim 220-V-Netz handelt es sich bei der Gegentaktstörung um die Störung zwischen der L-Phase und der N-Phase. Bei POE handelt es sich um die Interferenz zwischen POE+ und POE-; Bei der Niederspannungs-Gleichstromversorgung auf dem Mainboard handelt es sich tatsächlich um das Netzteilrauschen.
Bei der Auswahl eines Differentialmodus-Induktors müssen die folgenden Punkte beachtet werden:
• Gleichstromwiderstand, Nennspannung und Nennstrom, um den Arbeitsanforderungen gerecht zu werden;
• Strukturgröße zur Erfüllung der Produktanforderungen;
• Bestimmen Sie das Rauschfrequenzband durch Tests und wählen Sie den Induktor entsprechend der Impedanzkurve des Induktors aus;
• Entwerfen Sie einen LC-Filter und können einfache Berechnungen und Simulationen durchführen.
Gleichtaktinduktoren
Bei der Gleichtaktinduktivität werden zwei Spulen mit gleicher Windungszahl und entgegengesetzter Richtung auf denselben Ferritring gewickelt.
Gleichtaktinduktivitäten wie oben gezeigt:
· Wenn eine Gleichtaktkomponente durch die Gleichtaktinduktivität fließt, wird in den beiden Spulen gemäß der Rechtshänderregel ein Magnetfeld in der gleichen Richtung gebildet, was einer hohen Induktivität des Gleichtaktsignals entspricht ;
· Wenn eine Gegentaktkomponente durch eine Gleichtaktinduktivität fließt, bilden sich gemäß der Rechte-Hand-Regel in den beiden Spulen entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder aus, die sich gegenseitig aufheben, was einer geringen induktiven Reaktanz zum Gegentaktsignal entspricht .
Eine andere Möglichkeit zum Verständnis: Wenn V+ durch eine Frequenz mit Gleichtaktinterferenz fließt, erzeugt das gebildete magnetische Wechselfeld einen induzierten Strom auf der anderen Spule. Gemäß der Regel der linken Hand ist die Richtung des induzierten Stroms entgegengesetzt zur Richtung von die Gleichtaktstörung auf V-, die einen Teil der Gleichtaktstörung aufhebt.
Gleichtaktinduktivitäten werden hauptsächlich in Zweidraht- oder Differentialsystemen wie 220-V-Netzen, CAN-Bus, USB-Signalen, HDMI-Signalen usw. verwendet. Es wird verwendet, um Gleichtaktstörungen herauszufiltern, während die nutzbare Differenzsignaldämpfung gering ist.
Bei der Auswahl eines Gleichtaktinduktors müssen die folgenden Punkte beachtet werden:
· Die Gleichstromimpedanz sollte niedrig sein und keinen großen Einfluss auf die Spannung oder Nutzsignale haben;
· Bei Stromleitungen sollten die Nennspannung und der Nennstrom berücksichtigt werden, um die Arbeitsanforderungen zu erfüllen.
· Das Frequenzband der Gleichtaktstörung wird durch Tests bestimmt und die Gleichtaktimpedanz sollte in diesem Frequenzband hoch sein.
· Die Impedanz des Differenzmodus sollte klein sein, was keinen großen Einfluss auf die Qualität des Differenzsignals haben kann;
Berücksichtigen Sie die Paketgröße und erstellen Sie ein Kompatibilitätsdesign. Beispielsweise können Gleichtaktinduktivitäten für USB-Signale so ausgewählt werden, dass sie mit zwei 0402-Widerständen kompatibel sind. Wenn keine Gleichtaktinduktivitäten erforderlich sind, können 0402-Widerstände direkt verschweißt werden, um die Kosten zu senken.
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