電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（三）：電感

　　六、自感與互感

　　自感

　　當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場(chǎng)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場(chǎng)可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(感生電動(dòng)勢(shì))(電動(dòng)勢(shì)用以表示有源元件理想電源的端電壓)，這就是自感。

　　互感

　　兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線圈，這種影響就是互感。互感的大小取決于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

　　七、最小值與最大值

　　電感L的最小值由所需維持的最小負(fù)載電流的要求來(lái)決定。流過(guò)電感L的電流分為連續(xù)和不連續(xù)兩種工作情況。不管是哪種情況，只要是輸入、輸出電壓保持不變，則電流波形的斜率也不會(huì)因?yàn)樨?fù)載電流的減小而改變。

　　如果負(fù)載電流I。逐漸減小，在電感L中的波動(dòng)電流最小值剛好為零時(shí)，定義為臨界電流Ioc則Ioc應(yīng)等于電流峰一峰值的-半，即

　　Ioc=1/2△iL

　　當(dāng)Io < Ioc時(shí)，iL將進(jìn)人不連續(xù)狀態(tài)Io ≥ Ioc時(shí)iL為連續(xù)狀態(tài)。

　　單端正激式轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制電路如圖所示。圖中Cc為去磁復(fù)位繞組△的分布電容。連續(xù)狀態(tài)的傳遞函數(shù)有兩個(gè)極點(diǎn);不連續(xù)狀態(tài)的傳遞函數(shù)只有一個(gè)極點(diǎn)，如果想在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中都能穩(wěn)定地工作，就必須要進(jìn)行小心細(xì)致的設(shè)計(jì)。

　　單端正激式轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制電路

　　L值的另一個(gè)限制因素將出現(xiàn)在應(yīng)用于多組輸出電壓的情況。因?yàn)榭刂骗h(huán)只與-個(gè)相關(guān)的輸出端閉環(huán)，當(dāng)此輸出端電流低于臨界值時(shí)，占空比將減少以保持此輸出端的電壓不變。對(duì)于其他的輔助輸出端，假定其所帶的是恒定負(fù)載，在上述占空比下降的情況下，其電壓也下降。很明顯這不是所希望的，因此在多組輸出電壓時(shí)，為了保持輔助輸出電壓不變，電感L的值應(yīng)大于所需的最小值。也就是說(shuō)，如果輔助電壓要保持在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，則主輸出的電感必須一直超過(guò)臨界值，即一直在連續(xù)狀態(tài)。

　　電感的最大值一般受效率、體積和造價(jià)的限制，帶直流電流運(yùn)行的大電感的造價(jià)是昂貴的。從J眭能上來(lái)看，電感L過(guò)大將使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度減慢。因?yàn)檫^(guò)大的L在負(fù)載出現(xiàn)較大的瞬態(tài)變化時(shí)限制了輸出電流的最大變化率。

　　八、共模電感

　　(一)、初識(shí)共模電感

　　共模電感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，常用于電腦的開(kāi)關(guān)電源中過(guò)濾共模的電磁干擾信號(hào)。在板卡設(shè)計(jì)中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

　　小知識(shí)：EMI(Electro Magnetic Interference，電磁干擾)

　　計(jì)算機(jī)內(nèi)部的主板上混合了各種高頻電路、數(shù)字電路和模擬電路，它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高頻電磁波互相干擾，這就是EMI。EMI還會(huì)通過(guò)主板布線或外接線纜向外發(fā)射，造成電磁輻射污染，不但影響其他的電子設(shè)備正常工作，還對(duì)人體有害。

　　PC板卡上的芯片在工作過(guò)程中既是一個(gè)電磁干擾對(duì)象，也是一個(gè)電磁干擾源?？偟膩?lái)說(shuō)，我們可以把這些電磁干擾分成兩類：串模干擾(差模干擾)與共模干擾(接地干擾)。以主板上的兩條PCB走線(連接主板各元件的導(dǎo)線)為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線之間的干擾;而共模干擾則是兩條走線和PCB地線之間的電位差引起的干擾。

　　串模干擾電流作用于兩條信號(hào)線間，其傳導(dǎo)方向與波形和信號(hào)電流一致;共模干擾電流作用在信號(hào)線路和地線之間，干擾電流在兩條信號(hào)線上各流過(guò)二分之一且同向，并以地線為公共回路。

　　串模干擾和共模干擾

　　如果板卡產(chǎn)生的共模電流不經(jīng)過(guò)衰減過(guò)濾(尤其是像USB和IEEE 1394接口這種高速接口走線上的共模電流)，那么共模干擾電流就很容易通過(guò)接口數(shù)據(jù)線產(chǎn)生電磁輻射-在線纜中因共模電流而產(chǎn)生的共模輻射。美國(guó)FCC、國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)的CISPR22以及我國(guó)的GB9254等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等都對(duì)信息技術(shù)設(shè)備通信端口的共模傳導(dǎo)干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。

　　為了消除信號(hào)線上輸入的干擾信號(hào)及感應(yīng)的各種干擾，我們必須合理安排濾波電路來(lái)過(guò)濾共模和串模的干擾，共模電感就是濾波電路中的一個(gè)組成部分。

　　共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號(hào)線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。

　　上圖是我們常見(jiàn)的共模電感的內(nèi)部電路示意圖，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，還可以采用多級(jí)共模電路來(lái)更好地濾除電磁干擾。此外，在主板上我們也能看到一種貼片式的共模電感，其結(jié)構(gòu)和功能與直立式共模電感幾乎是一樣的。

　　(二)、從工作原理看共模電感

　　為什么共模電感能防EMI要弄清楚這點(diǎn)，我們需要從共模電感的結(jié)構(gòu)開(kāi)始分析。

　　共模電感濾波電路

　　上圖是包含共模電感的濾波電路，La和Lb就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

　　事實(shí)上，將這個(gè)濾波電路一端接干擾源，另一端接被干擾設(shè)備，則La和C1，Lb和C2就構(gòu)成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI信號(hào)被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號(hào)傳入，又可以衰減線路自身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，能有效地降低EMI干擾強(qiáng)度。

　　小知識(shí)：漏感和差模電感

　　對(duì)理想的電感模型而言，當(dāng)線圈繞完后，所有磁通都集中在線圈的中心內(nèi)。但通常情況下環(huán)形線圈不會(huì)繞滿一周，或繞制不緊密，這樣會(huì)引起磁通的泄漏。共模電感有兩個(gè)繞組，其間有相當(dāng)大的間隙，這樣就會(huì)產(chǎn)生磁通泄漏，并形成差模電感。因此，共模電感一般也具有一定的差模干擾衰減能力。

　　在濾波器的設(shè)計(jì)中，我們也可以利用漏感。如在普通的濾波器中，僅安裝一個(gè)共模電感，利用共模電感的漏感產(chǎn)生適量的差模電感，起到對(duì)差模電流的抑制作用。有時(shí)，還要人為增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量，以達(dá)到更好的濾波效果。

　　從看板卡整體設(shè)計(jì)看共模電感

　　在一些主板上，我們能看到共模電感，但是在大多數(shù)主板上，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)省略了該元件，甚至有的連位置也沒(méi)有預(yù)留。這樣的主板，合格嗎?

　　不可否認(rèn)，共模電感對(duì)主板高速接口的共模干擾有很好的抑制作用，能有效避免EMI通過(guò)線纜形成電磁輻射影響其余外設(shè)的正常工作和我們的身體健康。但同時(shí)也需要指出，板卡的防EMI設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)龐大和系統(tǒng)化的工程，采用共模電感的設(shè)計(jì)只是其中的一個(gè)小部分。高速接口處有共模電感設(shè)計(jì)的板卡，不見(jiàn)得整體防EMI設(shè)計(jì)就優(yōu)秀。

　　所以，從共模濾波電路我們只能看到板卡設(shè)計(jì)的一個(gè)方面，這一點(diǎn)容易被大家忽略，犯下見(jiàn)木不見(jiàn)林的錯(cuò)誤。 只有了解了板卡整體的防EMI設(shè)計(jì)，我們才可以評(píng)價(jià)板卡的優(yōu)劣。那么，優(yōu)秀的板卡設(shè)計(jì)在防EMI性能上一般都會(huì)做哪些工作呢?

　　●主板Layout(布線)設(shè)計(jì)

　　對(duì)優(yōu)秀的主板布線設(shè)計(jì)而言，時(shí)鐘走線大多會(huì)采用屏蔽措施或者靠近地線以降低EMI。對(duì)多層PCB設(shè)計(jì)，在相鄰的PCB走線層會(huì)采用開(kāi)環(huán)原則，導(dǎo)線從一層到另一層，在設(shè)計(jì)上就會(huì)避免導(dǎo)線形成環(huán)狀。如果走線構(gòu)成閉環(huán)，就起到了天線的作用，會(huì)增強(qiáng)EMI輻射強(qiáng)度。

　　信號(hào)線的不等長(zhǎng)同樣會(huì)造成兩條線路阻抗不平衡而形成共模干擾，因此，在板卡設(shè)計(jì)中都會(huì)將信號(hào)線以蛇形線方式處理使其阻抗盡可能的一致，減弱共模干擾。同時(shí)，蛇形線在布線時(shí)也會(huì)最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環(huán)形區(qū)域的面積，從而降低輻射強(qiáng)度。

　　主板的蛇形布線

　　在高速PCB設(shè)計(jì)中，走線的長(zhǎng)度一般都不會(huì)是時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)1/4的整數(shù)倍，否則會(huì)產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI輻射。同時(shí)走線要保證回流路徑最小而且通暢。對(duì)去耦電容的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其設(shè)置要靠近電源管腳，并且電容的電源走線和地線所包圍的面積要盡可能地小，這樣才能減小電源的波紋和噪聲，降低EMI輻射。

　　當(dāng)然，上述只是PCB防EMI設(shè)計(jì)中的一小部分原則。主板的Layout設(shè)計(jì)是一門非常復(fù)雜而精深的學(xué)問(wèn)，甚至很多DIYer都有這樣的共識(shí)：Layout設(shè)計(jì)得優(yōu)秀與否，對(duì)主板的整體性能有著極為重大的影響。

　　●主板布線的劃斷

　　如果想將主板電路間的電磁干擾完全隔離，這是絕對(duì)不可能的，因?yàn)槲覀儧](méi)有辦法將電磁干擾一個(gè)個(gè)地“包”起來(lái)，因此要采用其他辦法來(lái)降低干擾的程度。主板PCB中的金屬導(dǎo)線是傳遞干擾電流的罪魁禍?zhǔn)?，它像天線一樣傳遞和發(fā)射著電磁干擾信號(hào)，因此在合適的地方“截?cái)?rdquo;這些“天線”是有用的防EMI的方法。

　　“天線”斷了，再以一圈絕緣體將其包圍，它對(duì)外界的干擾自然就會(huì)大大減小。如果在斷開(kāi)處使用濾波電容還可以更進(jìn)一步降低電磁輻射泄露。這種設(shè)計(jì)能明顯地增加高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性和防止EMI輻射的產(chǎn)生，許多大的主板廠商在設(shè)計(jì)上都使用了該方法。

　　電感的計(jì)算公式：

　　加載其電感量按下式計(jì)算：線圈公式

　　阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作頻率) * 電感量(mH)，設(shè)定需用 360ohm 阻抗，因此：

　　電感量(mH) = 阻抗 (ohm) &pide; (2*3.14159) &pide; F (工作頻率) = 360 &pide; (2*3.14159) &pide; 7.06 = 8.116mH

　　據(jù)此可以算出繞線圈數(shù)：

　　圈數(shù) = [電感量* { ( 18*圈直徑(吋)) + ( 40 * 圈長(zhǎng)(吋))}] &pide; 圈直徑 (吋)

　　圈數(shù) = [8.116 * {(18*2.047) + (40*3.74)}] &pide; 2.047 = 19 圈

　　空心電感計(jì)算公式

　　空心電感計(jì)算公式：L(mH)=(0.08D.D.N.N)/(3D+9W+10H)

　　D------線圈直徑

　　N------線圈匝數(shù)

　　d-----線徑

　　H----線圈高度

　　W----線圈寬度

　　單位分別為毫米和mH。。

　　空心線圈電感量計(jì)算公式：

　　l=(0.01*D*N*N)/(L/D+0.44)

　　線圈電感量 l單位： 微亨

　　線圈直徑 D單位： cm

　　線圈匝數(shù) N單位： 匝

　　線圈長(zhǎng)度 L單位： cm

　　頻率電感電容計(jì)算公式：

　　l=25330.3/[(f0*f0)*c]

　　工作頻率： f0 單位：MHZ 本題f0=125KHZ=0.125

　　諧振電容： c 單位：PF 本題建義c=500.。.1000pf 可自行先決定，或由Q

　　值決定

　　諧振電感： l 單位： 微亨

　　線圈電感的計(jì)算公式

　　1。針對(duì)環(huán)行CORE，有以下公式可利用： (IRON)

　　L=N2.AL L= 電感值(H)

　　H-DC=0.4πNI / l N= 線圈匝數(shù)(圈)

　　AL= 感應(yīng)系數(shù)

　　H-DC=直流磁化力 I= 通過(guò)電流(A)

　　l= 磁路長(zhǎng)度(cm)

　　l及AL值大小，可參照Micrometal對(duì)照表。例如： 以T50-52材，線圈5圈半，其L值為T50-52(表示OD為0.5英吋)，經(jīng)查表其AL值約為33nH

　　L=33.(5.5)2=998.25nH≒1μH

　　當(dāng)流過(guò)10A電流時(shí)，其L值變化可由l=3.74(查表)

　　H-DC=0.4πNI / l = 0.4×3.14×5.5×10 / 3.74 = 18.47 (查表后)

　　即可了解L值下降程度(μi%)

　　2。介紹一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式

　　L=(k*μ0*μs*N2*S)/l

　　其中

　　μ0 為真空磁導(dǎo)率=4π*10(-7)。(10的負(fù)七次方)

　　μs 為線圈內(nèi)部磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率，空心線圈時(shí)μs=1

　　N2 為線圈圈數(shù)的平方

　　S 線圈的截面積，單位為平方米

　　l 線圈的長(zhǎng)度， 單位為米

　　k 系數(shù)，取決于線圈的半徑(R)與長(zhǎng)度(l)的比值。

　　計(jì)算出的電感量的單位為亨利(H)。