
主机板中电感的应用.docx
8页电感常识 电感在电路最常见的作用就是与电容一起,组成 LC 滤波电路我们已经知道, 电容具有“阻直流,通交流”的本领,而电感则有“通直流,阻交流”的功能 如果把伴有许多干扰信号的直流电通过 LC 滤波电路,那么,交流干扰信号将被 电容变成热能消耗掉;变得比较纯净的直流电流通过电感时,其中的交流干扰信 号也被变成磁感和热能,频率较高的最容易被电感阻抗,这就可以抑制较高频率 的干扰信号电感(inductance)是电子电路或装置的属性之一,指的是:当电流改变时,因 电磁感应而产生抵抗电流改变的电动势(EMF, electromotive force)电路中的任何电流,会产生磁场,磁场的磁通量又作用于电路上依据楞次定律, 此磁通会借由感应出的电压(反电动势)而倾向于抵抗电流的改变磁通改变量 对电流改变量的比值称为自感,自感通常也就直接称作是这个电路的电感具有 电感性的装置称为电感器(inductor,中文里一般也简称电感),电感器通常是一 线圈,可以聚集磁场自感是互感的特例)电感在电路中的作用 基本作用:滤波、振荡、延迟、陷波等 形象说法:“通直流,阻交流” 通直流:所谓通直流就是指在直流电路中,电感的作用就相当于一根导线,不起 任何作用。
阻交流:在交流电路中,电感会有阻抗,即XL,整个电路的电流会变小,对交 流有一定的阻碍作用细化解说:在电子线路中,电感线圈对交流有限流作用,它与电阻器或电容器能 组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;电感的作用是阻碍电流的变化,但是这种作用与电阻阻碍电流流通作用是有区别 的电阻阻碍电流流通作用是以消耗电能为其标志,而电感阻碍电流的变化则纯粹是 不让电流变化,当电流增加时电感阻碍电流的增加,当电流减小时电感阻碍电流 的减小电感阻碍电流变化过程并不消耗电能,阻碍电流增加时它将电的能量以 磁场的形式暂时储存起来,等到电流减小时它也将磁场的能量释放出来,以结果 来说,就是阻碍电流的变化电气回路的主要组成部分有电阻、电容和电感.电感具有抑制电流变化的作用,并 能使交流电移相.把具有电感作用的绕线式的静止感应装置称为电抗器电抗器也叫电感器,一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁 场, 所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性然而通电长直导体的电感较 小,所产生的磁场不强,因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式,称空心电抗 器;有时为了让这只螺线管具有更大的电感,便在螺线管中插入铁心,称铁心电 抗器。
电抗器的接线分串联和并联两种方式串联电抗器通常起限流作用,并联电抗器 经常用于无功补偿电抗器也叫电感器,一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁 场, 所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性然而通电长直导体的电感较 小,所产生的磁场不强,因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式,称空心电抗 器;有时为了让这只螺线管具有更大的电感,便在螺线管中插入铁心,称铁心电 抗器电抗器的接线分串联和并联两种方式串联电抗器通常起限流作用,并联电抗器 经常用于无功补偿四)高频变压器高导磁率,铁芯将产生一个大的电感,线圈的阻抗使共模信号的通过受到抑制3 、共模电感器件性能与材料性能的关系 为了使共模干扰更有效地滤除,共模 电感首先应具有足够大的电感量,因而铁芯材料具有高导磁率是对共模电感的最 基本要求另一方面,铁芯材料的频率特性也是决定器件性能的一个关键因素 由于共模干扰具有较宽的频谱,而铁芯对共模干扰的阻抗只在某一特定频段具有 最大值所以,为了滤除某个波段的共模干扰,铁芯频率特性应使器件的阻抗在 该波段与后面的电路具有最大的不匹配,以对共模干扰产生足够大的损耗(称为 插入损耗)对于共模信号而言,共模电感可以等效为电阻和电感的串联,此时 器件的总阻抗为: 其中:为铁芯导磁率实部引起的与纯电感有关的感抗。
为铁芯导磁率虚部引起的与损耗有关的阻抗L0为空心电感的电感量在实际的共模电感中,XL形成对共模干扰的反射,而XR是由于铁芯损耗等被 吸收消耗的部分这两部分都形成了对共模干扰的抑制因此,共模电感铁芯的 总阻抗代表了器件抑制共模干扰的能力共模电感铁芯供应商大多使用阻抗(或 者做成器件后的插入损耗)与频率的关系表示产品的频率特性材料的导磁率与频率的关系比较复杂一般地,导磁率实部随频率的升高而降 低;导磁率虚部开始较低,在某个频率(称为截止频率)有峰值,如何又随频率 而下降应当注意,器件阻抗随频率的变化规律和导磁率的规律不同,因为阻抗 除了决定于导磁率以外,还与频率有关一般地,共模电感的阻抗及其频率特性 决定于铁芯尺寸、材料特性、线圈匝数等因素图 2 为铁氧体和铁基纳米晶合金 共模电感的的阻抗-频率关系4、 纳米晶合金的优势为了得到对共模干扰最佳的抑制效果,共模电感铁芯必须具有高导磁率、优良 的频率特性等从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料,它具有极佳 的频率特性和低成本的优势但是,铁氧体也具有一些无法克服的弱点,例如温 度特性差、饱和磁感低等,在应用时受到了一定限制 近年来,铁基纳米晶合 金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。
铁基纳米晶合金的制造工艺 是:首先用快速凝固技术制成厚度大约20-30微米的非晶合金薄带,卷绕成铁 芯后经过进一步加工形成纳米晶与铁氧体相比,纳米晶合金具有一些独特的优 势:?高饱和磁感应强度:铁基纳米晶合金的Bs达1.2T,是铁氧体的两倍以 上作为共模电感铁芯,一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和,否则电感量急 剧降低而在实际应用中,有不少场合的干扰强度较大(例如大功率变频电机), 如果用普通的铁氧体作为共模电感,铁芯存在饱和的可能性,不能保证大强度干 扰下的噪声抑制效果由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度,其抗饱和特性无疑 明显优于铁氧体,使得纳米晶合金非常适用于抗大电流强干扰的场合高初始导磁率:纳米晶合金的初始导磁率可达10万,远远高于铁氧体,因此 用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗,对弱干扰具 有极好的抑制作用这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适用 在某些特定场合(如医疗设备),设备通过对地电容(如人体)造成泄漏电流, 容易形成共模干扰,而设备本身又对此要求极严此时使用高导磁率的纳米晶合 金制造共模电感可能是最佳选择此外,纳米晶合金的高导磁率可以减少线圈匝 数,降低寄生电容等分布参数,因而将由于分布参数引起的在插入损耗谱上的共 振峰频率提高。
同时,纳米晶铁芯的高导磁率使得共模电感具有更高的电感量和 阻抗值,或者在同等电感量的前提下缩小铁芯的体积卓越的温度稳定性:铁基纳米晶合金的居里温度高达570oC以上在有较大 温度波动的情况下,纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体,具有优良的稳定 性,而且性能的变化接近于线性一般地,纳米晶合金在一50oC----130oC的温 度区间内,主要磁性能的变化率在10%以内相比之下,铁氧体的居里温度一般在250oC以下,磁性能变化率 有时达到 100%以上,而且呈非线性,不易补偿纳米晶合金的这种温度稳定性 结合其特有的低损耗特性,为器件设计者提供了宽松的温度条件而图3为不同 材料的饱和磁感应强度的温度特性 ?灵活的频率特性:通过不同的制造工艺, 纳米晶铁芯可以获得不同的频率特性,配合适当的线圈匝数可以得到不同的阻抗 特性,满足不同波段的滤波要求,而其阻抗值大大高于铁氧体应该指出,任何 滤波器都不能指望用一种铁芯材料就可以实现整个频率范围的噪声抑制,而是应 根据滤波器要求的滤波频段来选择不同的铁芯材料、尺寸和匝数等与铁氧体相 比,纳米晶合金可以更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性 铁基 纳米晶合金自二十世纪八十年代末开发以来,已经在开关电源变压器、互感器等 领域得到了广泛应用。
由于纳米晶合金的高导磁率、高饱和磁感、灵活可调的频 率特性等优势,在抗共模干扰滤波器等领域也越来越受到重视国外已经存在可 以大批量供应的铁基纳米晶合金共模电感铁芯随着人们对纳米晶合金认识的逐 渐加深,可以预计它们制造的共模电感在国内的应用前景将越来越广阔 一、 初识共模电感共模电感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于电脑的开关电源中 过滤共模的电磁干扰信号在板卡设计中,共模电感也是起EMI滤波的作用, 用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射 各种 CMC小知识:EMI (Electro Magnetic Interference,电磁干扰) 计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路,它们工作时 会产生大量高频电磁波互相干扰,这就是EMIEMI还会通过主板布线或外接 线缆向外发射,造成电磁辐射污染,不但影响其他的电子设备正常工作,还对人 体有害PC 板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象,也是一个电磁干扰源 总的来说,我们可以把这些电磁干扰分成两类:串模干扰(差模干扰)与共模干 扰(接地干扰)以主板上的两条PCB走线(连接主板各元件的导线)为例,所 谓串模干扰,指的是两条走线之间的干扰;而共模干扰则是两条走线和PCB地 线之间的电位差引起的干扰。
串模干扰电流作用于两条信号线间,其传导方向 与波形和信号电流一致;共模干扰电流作用在信号线路和地线之间,干扰电流在 两条信号线上各流过二分之一且同向,并以地线为公共回路串模干扰和共模干扰如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤(尤其是像USB和IEEE 1394接口这 种高速接口走线上的共模电流),那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产 生电磁辐射-缆中因共模电流而产生的共模辐射美国FCC、国际无线电干 扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等标准规范等都对信息技术设备 通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰,我们必须合理安排滤波 电路来过滤共模和串模的干扰,共模电感就是滤波电路中的一个组成部分共模电感实质上是一个双向滤波器:一方面要滤除信号线上共模电磁干扰,另 一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设 备的正常工作 共模电感内部电路示意图上图是我们常见的共模电感的内部电路示意图,在实际电路设计中,还可以采 用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰此外,在主板上我们也能看到一种贴片 式的共模电感,其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。
贴片 CMC二、从工作原理看共模电感为什么共模电感能防EMI?要弄清楚这点,我们需要从共模电感的结构开始分 析 共模电感滤波电路上图是包含共模电感的滤波电路,La和Lb就是共模电感线圈这两个线圈绕 在同一铁芯上,匝数和相位都相同(绕制反向)这样,当电路中的正常电流流 经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此 时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模 电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会圈内产生同向的磁场而增大线 圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达 到滤波的目的事实上,将这个滤波电路一端接干扰源,另一端接被干扰设备,则La和C1, Lb和C2就构成两组低通滤波器,可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低 的电平上该电路既可以抑制外部的EMI信号传入,又可以衰减线路自身工作 时产生的EMI信号,能有效地降低EMI干扰强度小知识:漏感和差模电感 对理想的电感模型而言,当线圈绕完后,所有磁通都集中圈的中心内但 通常情况下环形线圈不会绕满一周,或绕制不紧密,这样会引起磁通的泄漏共 模电感有两个绕组,其间有相当大的间隙,这样就会产生磁通泄漏,并形成差模 电感。
因此,共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减。












