Como selecionar indutores?

Primeiro, o princípio básico da indutância

Indutores, junto com capacitores e resistores, são três dispositivos passivos básicos em eletrônica. A função dos indutores é armazenar energia elétrica na forma de energia de campo magnético.

Tomando como exemplo a bobina cilíndrica, o princípio básico da indutância é brevemente introduzido.

Conforme mostrado na figura acima, quando uma corrente constante flui através da bobina, um campo magnético estático é formado na direção indicada de acordo com a regra da hélice da direita. O indutor flui através da corrente alternada, o campo magnético gerado é o campo magnético alternado, o campo magnético variável gera um campo elétrico e a força eletromotriz de indução na bobina gera a corrente induzida:

· Quando a corrente aumenta, o campo magnético torna-se mais forte e a direção do campo magnético muda é a mesma do campo magnético original. De acordo com a regra da espiral da esquerda, a corrente induzida gerada está na direção oposta da corrente original e a corrente de indutância diminui;

· Quando a corrente muda, o campo magnético torna-se mais fraco e a direção das mudanças do campo magnético é oposta à direção do campo magnético original. De acordo com a regra da espiral da esquerda, a corrente induzida gerada está na mesma direção da corrente original e a corrente do indutor torna-se maior.

Esta é a lei de Lenz, e o efeito final é que o indutor impedirá que a corrente que flui através dele mude, ou seja, o indutor tem uma alta resistência à corrente alternada. Para a mesma indutância, quanto maior a taxa de variação da corrente, maior será a corrente induzida e maior será a impedância da indutância; Se a mesma taxa de mudança de corrente, indutores diferentes, se a corrente induzida gerada for maior, então o indutor apresenta uma impedância maior.

Pode-se observar que o tamanho da indutância está relacionado ao tamanho da bobina e ao material do núcleo interno.

As características da indutância real não são apenas o papel da indutância, mas também outros fatores, tais como:

· O fio enrolado na bobina não é um condutor ideal e existe uma certa resistência;

· O núcleo magnético da indutância apresenta certa perda de calor;

· Existe uma capacitância distribuída entre os condutores dentro do indutor.

Portanto, é necessário utilizar um modelo mais complexo para representar a indutância real, e o modelo equivalente comumente utilizado é o seguinte:

A forma do modelo equivalente pode ser diferente, mas deve ser capaz de refletir a perda e a capacitância distribuída. De acordo com o modelo equivalente, dois parâmetros importantes da indutância real podem ser definidos.

Frequência de Auto-Ressonância

Devido à existência de Cp, forma-se um circuito ressonante junto com L, cuja frequência ressonante é a frequência auto-ressonante do indutor. Antes da frequência auto-ressonante, a impedância do indutor aumenta com o aumento da frequência. Após a frequência auto-ressonante, a impedância do indutor diminui à medida que a frequência aumenta, e a capacitância é apresentada.

Fator de qualidade

Ou seja, o valor Q do indutor, a relação entre a potência indutiva armazenada e a potência de perda, quanto maior o valor Q, menor a perda do indutor, e a impedância de corrente contínua do indutor está diretamente relacionada ao parâmetro . Frequência auto-ressonante e valor Q são os principais parâmetros dos indutores de alta frequência

Em segundo lugar, a estrutura do processo de indutância

O processo de indutância pode ser dividido em 3 tipos:

2.1 Tipo de fio enrolado (tipo de fio enrolado)

Como o nome sugere, o fio de cobre é enrolado em torno de um núcleo magnético para formar uma bobina, e há duas maneiras de enrolar o fio:

Ferida Redonda

O enrolamento cilíndrico é comum e possui uma ampla gama de aplicações, como:

Ferida plana

A vantagem do enrolamento plano é óbvia, ou seja, a altura do dispositivo é reduzida. Pode-se observar pela fórmula anterior que quanto maior a permeabilidade do núcleo magnético, maior o valor da indutância, e o núcleo magnético pode ser

· Materiais não magnéticos: como núcleo de ar, núcleo cerâmico, parece que não pode ser chamado de núcleo magnético; Este valor de indutância é pequeno, mas basicamente não há corrente de saturação

· Materiais ferromagnéticos: como ferrita, liga Permo, etc.; A permeabilidade da liga é superior à da ferrita. O material ferromagnético possui fenômeno de saturação magnética e corrente de saturação.

A indutância do enrolamento pode fornecer alta corrente e alta indutância. Quanto maior a permeabilidade do núcleo magnético, o mesmo valor de detecção, menos enrolamento, menos enrolamento pode reduzir a resistência DC; Do mesmo tamanho, menos enrolamento pode ser enrolado grosso, melhorar a corrente.

Além disso, no projeto da fonte de alimentação, muitas vezes encontramos o problema do uivo da indutância, a essência é que a mudança do campo magnético causa o condutor, ou seja, a vibração da bobina, a frequência da vibração está apenas no áudio alcance, o ouvido humano pode ouvir, a indutância formando liga integrada, mais firme, pode reduzir a vibração.

2.2 Indutor Multicamada (Tipo Multicamada)

O processo de produção de indutores de chip multicamadas: a pasta de ferrita ou cerâmica é seca e formada, a pasta condutora é impressa alternadamente e a estrutura integrada é formada por laminação e sinterização.

O indutor de chip multicamadas é menor que o indutor de enrolamento e possui pacote padronizado, que é adequado para montagem automática de alta densidade. Estrutura integrada, alta confiabilidade, boa resistência ao calor.

2.3 Indutância de Filme Fino (Tipo de Filme Fino)

Os indutores de filme fino usam um processo semelhante à produção de IC, uma camada de filme condutor é revestida no substrato e, em seguida, a bobina é formada pelo processo de fotolitografia e, finalmente, a camada média, a camada de isolamento e a camada de eletrodo são adicionadas à embalagem e à forma.

O processo de produção do dispositivo de filme fino é mostrado na figura abaixo

 

 

A precisão do processo de litografia é alta, resultando em linhas mais estreitas e bordas mais nítidas. Portanto, os indutores de filme fino têm

· Tamanho menor, pacote 008004

· Etapa de valor menor, 0.1nH

· Tolerância menor, 0,05nH

· Melhor estabilidade de frequência

Terceiro, a aplicação e seleção de indutores

No projeto de circuitos, os indutores têm três categorias principais de aplicações:

· Indutância de potência: usada principalmente para conversão de tensão, circuito DCDC comumente usado para usar indutância de potência;

Indutância de desacoplamento: usada principalmente para filtrar o ruído na linha de energia ou linha de sinal, com a qual os engenheiros da EMC devem estar familiarizados;

· Indutores de alta frequência: usados ​​principalmente em circuitos de RF para obter polarização, correspondência, filtragem e outros circuitos.

3.1 Indutância de Potência

Os indutores de potência são comumente usados ​​em circuitos DCDC para manter uma corrente contínua acumulando e liberando energia.

A maioria dos indutores de potência são indutores de enrolamento, que podem melhorar altas correntes e altas indutâncias.

Os indutores de potência de chip multicamadas também são cada vez mais, geralmente o valor da indutância e a corrente são baixos, a vantagem é que o custo é baixo, o volume é ultrapequeno e há mais aplicações em produtos com grandes restrições de espaço, como telefones celulares .

 

3.2 Desacoplamento de indutores

O indutor de desacoplamento também é chamado de Choke, que geralmente é traduzido como bobina de estrangulamento nos livros didáticos. O papel dos indutores de desacoplamento é filtrar a interferência na linha, que pertence aos dispositivos EMC. Os engenheiros EMC são usados ​​principalmente para resolver os problemas de teste de emissão de radiação (RE) e emissão conduzida (CE) de produtos.

Indutores de desacoplamento, geralmente de estrutura relativamente simples, principalmente fio de cobre enrolado diretamente no anel de ferrite.

Indutância de modo diferencial

Os indutores de modo diferencial são indutores de enrolamento comuns, usados ​​para filtrar algumas interferências de modo diferencial, principalmente para formar filtros LC com capacitores para reduzir o ruído da fonte de alimentação.

Para rede elétrica de 220 V, a interferência de modo diferencial é a interferência entre a fase L e a fase N. Para POE, é a interferência entre POE+ e POE-; Para a fonte de alimentação CC de baixa tensão na placa-mãe, na verdade é o ruído da fonte de alimentação.

A seleção do indutor de modo diferencial precisa prestar atenção aos seguintes pontos:

• Resistência DC, tensão e corrente nominais, para atender aos requisitos de trabalho;

• Dimensionamento da estrutura para atender aos requisitos do produto;

• Determine a faixa de frequência do ruído através de testes e selecione o indutor de acordo com a curva de impedância do indutor;

• Projetar filtro LC, pode fazer cálculos e simulações simples.

Indutores de modo comum

O indutor de modo comum consiste em enrolar duas bobinas com o mesmo número de voltas e direções opostas no mesmo anel de ferrite.

 

Indutores de modo comum conforme mostrado acima:

· Quando um componente de modo comum flui através do indutor de modo comum, um campo magnético na mesma direção será formado nas duas bobinas de acordo com a regra da mão direita, o que equivale a uma alta indutância para o sinal de modo comum ;

· Quando um componente de modo diferencial flui através de um indutor de modo comum, de acordo com a regra da mão direita, campos magnéticos em direções opostas serão formados nas duas bobinas e se cancelarão, o que equivale a uma baixa reatância indutiva ao sinal de modo diferencial .

Outra forma de entender: quando V+ flui através de uma frequência de interferência de modo comum, o campo magnético alternado formado formará uma corrente induzida na outra bobina, de acordo com a regra da mão esquerda, o sentido da corrente induzida é oposto ao sentido de a interferência de modo comum em V-, que cancela uma parte da interferência de modo comum.

Os indutores de modo comum são usados ​​​​principalmente em sistemas diferenciais ou de fio duplo, como rede elétrica de 220 V, barramento CAN, sinal USB, sinal HDMI e assim por diante. É usado para filtrar a interferência de modo comum, enquanto a atenuação útil do sinal diferencial é pequena.

A seleção do indutor de modo comum precisa prestar atenção aos seguintes pontos:

· A impedância DC deve ser baixa e não pode ter um grande impacto na tensão ou nos sinais úteis;

· Para linhas de energia, a tensão e a corrente nominais devem ser consideradas para atender aos requisitos de trabalho;

· A faixa de frequência da interferência de modo comum é determinada por testes, e a impedância de modo comum deve ser alta nesta faixa de frequência;

· A impedância do modo diferencial deve ser pequena, o que não pode ter grande impacto na qualidade do sinal diferencial;

Considere o tamanho do pacote e faça o design de compatibilidade. Por exemplo, indutores de modo comum para sinais USB podem ser selecionados para serem compatíveis com dois resistores 0402 e, quando indutores de modo comum não são necessários, os resistores 0402 podem ser soldados diretamente para reduzir custos.

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