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電感器之電氣特性及封裝結構

來源: | 發(fā)布日期:2022-09-07
  在設計開關轉換器并挑選電感器時,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,電感器的封裝結構會影響漏磁大小,進而影響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計時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。電感的標稱值通常是在沒有外加直流偏置的條件下,以100 kHz或1 MHz所量得。且為確保大量自動化生產的可能性,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生的諧振,電感值會上升,此諧振頻率稱為自我諧振頻率(self-resonant frequency;SRF),通常需遠高于工作頻率。


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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,可以看到阻抗的自我諧振頻率點,過了此點阻抗下降呈現(xiàn)電容性,且相位逐漸轉為-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)愈來愈大,即使電阻因集膚效應(skin effect)與鄰近(proximity effect)效應愈來愈大,Q值仍隨頻率增加;在接近SRF時,電感抗逐漸為電容抗抵消,Q值又逐漸變?。辉赟RF時變?yōu)榱?,因電感抗與電容抗完全相消。
  在電感的應用頻段里,Q值愈高愈好;表示其電抗遠大于交流電阻。一般而言,Q值最好達到40以上,表示此電感的質量佳。然而,一般隨直流偏置增加,電感值會下降,Q值也會降低。若采用扁平漆包線或多股漆包線,可以降低集膚效應,即交流電阻,也就可以提升電感的Q值。
  直流電阻DCR一般多認為是銅線的直流電阻,此電阻可依線徑與長度計算。然而大部分小電流SMD電感在繞線終端會用超音波焊接做SMD的銅片,但因為銅線長度不長,電阻值不高,因此焊接電阻常會占整體直流電阻相當?shù)谋壤?。以TDK之繞線式SMD電感CLF6045NIT-1R5N為例,其量測直流電阻為14。6mΩ,而依線徑及長度計算之直流電阻為12。1mΩ。結果顯示此焊接電阻約占整體直流電阻的17%。
  交流電阻ACR則因有集膚效應與鄰近效應,而會造成ACR隨頻率增加;一般電感的應用,因交流成份遠低于直流成份,所以ACR造成的影響并不明顯;但是在輕載時,因為直流成份降低,ACR造成的損耗便不能忽略。集膚效應即在交流的條件下,導體內部電流分布不均勻而集中在導線的表面,造成等效導線截面積降低,進而使導線的等效電阻隨頻率提高。另外,在一個導線繞組中,相鄰的導線會因電流造成磁場的相加減,使得電流集中在導線鄰近的表面(或最遠的表面,視電流方向而定),同樣造成等效導線截面積降低,等效電阻提高的現(xiàn)象,即所謂的鄰近效應;在一個多層繞組的電感應用里,鄰近效應更是明顯。
  在頻率為1kHz時,電阻約為360mΩ;到了100kHz,電阻上升到775mΩ;在10MHz時電阻值接近160Ω。在估算銅損時,其計算須考慮集膚與鄰近效應造成的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)
  在開關電源的設計中電感的設計為工程師帶來的許多的挑戰(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,機械尺寸等等。

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