各类高频电感电气参数及其电路应用的论述和探讨

2022-10-20龚志良黄家毅舒恺唐建伟

电子元器件与信息技术 2022年8期

龚志良，黄家毅，舒恺，唐建伟

东莞铭普光磁股份有限公司，广东东莞，523000

0 引言

随着微电子技术，通信技术的快速发展，特别是近十年在5G通讯、人工智能、大数据、虚拟现实、智能驾驶等高新技术的飞速发展和加持下，急速促进了电子信息产业的升级变革，对高性能、大功率、小体积电子设备的需求激增。电感器主要作为储能或EMI滤波器件被广泛应用在各种电子/电气设备中，市场对高性能大功率电感器的需求也在不断提升。由于电感器种类多，应用场景多，不同场景对其电气参数应用要求不同，大部分文献侧重于磁性元件设计[1-10]，缺少对其参数在工程中的应用和一些设计原则解读。故本文对不同种类电感器及其电气参数进行介绍，并对其在不同电路中的应用进行探讨，以便给同行或电路设计人员给出电感参数选用和全面应用说明。

1 电感类型及其电路应用

1.1 电感器类型

电感器作为大三被动元器件之一，是一种通过电磁相互转换的储能元件，其最常见的为金属导体绕制而成圆柱螺旋弹簧形状，可在线圈中插入磁铁来提升电感值。大部分电感器只有一个绕组，共模电感绕组数量则是2个或以上。

电感器按用途可以分为两种，一种是消除干扰的信号（滤波），属于EMC元件；另外一种是储能器件，通过电磁转换实现能量传递以及电路电压转换。按照电子设备种类可分为电源线功率电感、信号/RF滤波器电感、EMC对策电感等三种电感，电感类型和分类图如图1所示。

图1 绕线电感类型和分类

1.2 电感的应用

1.2.1 电源线路电感的应用

图2为一种典型带有功率因数（PFC）电路交流转直流的电源拓扑图，从输入到输出过程中，电路图可分为五大部分，依次为输入滤波电路、桥式整流、PFC电路、电压转换器（变压器）、输出电路，并在各部分展示对应电感种类和对应L1～L5实物图：防雷电感L1、共模L2、差模电感L3组成EMC滤波器，环形绕线电感L4作为PFC升压电感，最后是降压的功率电感L5。

图2 一种典型带PFC的AC-DC电源拓扑

功率电感常用在DC-DC电路拓扑，包括降压（Buck）、升压（Boost）、升降压（Boost/Buck）、单端初级电感转换器（SEPIC）等。图3(a)为典型单相直流降压电路拓扑图，从图中可以元器件包括控制部分的一个PWM控制芯片、两个场效应管，以及输出部分的一个电感、一个电容。现在的GPU和CPU所需要的功率都是百瓦级，单相无法提供足够功率，则需多相VRM进行供电。多相供电是由n（n>3）个单相电路并联而成，因此多相可以提供单相的n倍电流。从图3(b)多相电压调整器电路拓扑图以及开关工作原理可知，通过主控芯顺序来控制每相中开关管工作，能够使之叠加后输出的电流纹波更小、更平稳[11]。这种多相VRM电路中一般选择如图1中所示的200～600nH低电感，额定电流30A以上的功率磁珠或模压电感。

图3 降压电路拓扑图

1.2.2 共模电感的应用

共模电感（Common Mode Choke缩写为CMC）能够对电子线路中共模噪声进行抑制，以便达到对应的EMC标准。按照其工作线路不同分为交流线路共模电感（AC Line CMC）、直流线路共模电感（DC Line CMC）、高频信号类共模电感（Signal Line CMC）这三种，它们工作原理都相同，工作原理图如图4所示。共模电感作用能使大部分的差模信号（需要传送的信号）通过而消除共模信号（不需要的高频噪声）的一种线圈。对于共模电感，单个器件的作用是通差模、抑制共模，这适用于上述三种类型；唯一不同的是直流线路，其共模要求能够通过直流电，结构上需要增加气隙来提升直流偏置能力，因此多采用工字型加屏蔽组合结构，而交流共模电感的磁芯则常用高导环形。

图4 共模电感工作原理图及其作用示意图

对于涉及高速数据接口设备如USB、HDMI/DP、PCI-E等，首要考虑因数不能削弱差分信号。必须考虑通信标准，相关通信协议和对应速率，决定了通讯差分信号的所必需的带宽。例如：USB3.0技术采用5Gbps的传输速率，扩频时钟的调制频率为2.5Ghz，数据频谱非常广，范围涵盖0～5GHz[12]；HDMI时钟频率165～340MHz；PCI-E 3.0速率高达到8GT/s。这种高频信号类应用的共模扼流圈电感值一般在1～10uH之间，其磁芯选用磁导率100～400H/m镍锌铁氧体。

仅凭共模扼流圈，其滤波效果大概率不能满足EMC的需求，为了提升滤波效果，需要和电容器组合成滤波电路，如图5所示，L1、C1、C2构成共模滤波器去消除共模信号，而后面的L2、C3构成差分低通滤波器，主要需要抑制无用的高频的差模信号。共模电感本身漏感相当于差模电感，如果能够提高其漏感，则可以不需要电感L2，把差模电感集成到共模电感中，比如通过在环形绕线共模电感磁环中间插入软磁片建立辅助磁路的提升漏感设计，这种类型电感称为共差模一体电感。

图5 L1、C1、C2构成共模滤波器，L2、C3构成差模滤波器

1.2.3 退耦电感的应用

浪涌一般指的是电路或电网中极短时内出现“波浪”般的并远远超出正常值的瞬间过电压，是一种剧烈脉冲波。退耦电感的作用主要是保持电压稳定。如图6中给芯片供电的直流电压值，如发生突入大电流，图中退耦电感，对于浪涌造成的突变的电流，线圈会在阻碍电流变化的方向上产生电动势，把电能转换成磁能，线圈缓慢释放磁能从而达到抑制电压变化。雷电也会造成线路中产生浪涌，一些大功率或者户外AC-DC电源会在接入端中输入EMI电路中增加防雷电路，如图2所示，防雷电路大部分有两个压敏电阻和中间一个线圈[13]，这里防雷电感也属于退耦线圈一种。主要针对雷击产生浪涌，长期工程实践验证：防雷电路选择4.5～10μH空心线圈效果最好。主要空心线圈不会出现铁氧体线圈饱和问题，适用于大功率一次电源。在某些小功率的二次电源中也有选择10～22μH工字型或R棒电感作为防雷电感。

图6 退耦电感作用示意图

1.2.4 RF（射频）电感的应用

射频电感主要作用高频滤波和实现阻抗匹配实现信号传送。无线电通信模块中的RF电感主要用途是阻抗匹配，只有阻抗匹配时才能实现最大功率传送，如果阻抗不匹配，大部分信号将会被反射，增大传送损耗。常见RF电感应用包括高频滤波器有电路数字机顶盒和有线调制解调器中MOCA滤波器以及在射频电路实现阻抗匹配中SWA滤波器、低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）等电路模块，其典型电路拓扑分别对应图7(a)(b)(c)(d)。

图7 RF电感应用典型电路拓扑图

2 电感电气参数及其测量方法

2.1 电感值L

电感值是一个物理量，当变化的电流通过线圈时，感应磁场产生感生的电动势，电动势的大小与电流变化率成正比，比例因数称为电感值，用符号L表示，单位为亨利（H）[14-15]。电感值测量可通过LCR或者阻抗分析仪进行测试，测量频率基准为100kHz。原因：大多数电感值的范围在0.10～680μH内，并且在10～1000kHz频率范围内电感值几乎不会发生变化，早期电源控制芯片的开关频率为50～130kHz，因此测试频率100kHz很接近实际开关频率，适合作为标准基准频率。高频化需要将开关频率增加到300～500kHz，甚至小功率应用可达到1MHz或以上，故一些数据表中的测试频率可以调整到1MHz。

2.2 直流电阻Rdc或DCR

直流电阻是对电感绕组通直流电所表现出来的电阻，其大小是由导体电阻率、横截面积和长度决定的，在电感器厂商目录中通常规定最大值或者标称值加上公差。从应用角度来说，直流电阻越小越好，直流损耗小，发热程度就低，通流能力大。

2.3 额定电流Rated Current

饱和电流（Isat）指在电感器中流过引起电感量下降到特定量（或下降变化百分比）的直流偏置电流，其对下降变化百分比的常见定义有10%、20%、30%、35%。

温升电流（Irms）指在25℃常温环境下允许产品表面上升特定值（一般40℃）对应的直流电。对于功率电感来说，额定电流（Rated Current）指的是饱和电流和温升电流两者中较小对应的数值。对于没有饱和电流的情况，例如共模电感，额定电流就是对应的温升电流。

功率电感饱和电流测量使用LCR和偏置电流源测量饱和电流曲线，如图8所示，电感下降变化百分比(L-LIDC)/L=△L/L中10%、20%、30%或35%时相对应的直流电为饱和电流的典型值（Type），考虑材料特性和尺寸偏差以及量产可控性，对于定义10%变化量的饱和电流，则是4%～6%的控制余量，也就是94%～96%电感值的对应电流为饱和电流最大值（Max）。工字型+磁罩组装式对应30%或35%，考虑到组装式磁芯气隙的影响，则预留10%～17%的控制余量，也就是83%～90%电感值对应的电流为饱和电流。

图8 饱和电流曲线图

温升电流制造商通常在无风密闭25℃环境中，持续加载直流电30min或以上，使用热电偶测量产品表面的温度，实测温升40℃时对应直流定义为温升电流的典型值，考虑接触热电偶测量误差以及忽略实际工作的交流损耗，预留10～20℃的余量，规定温升20～30℃的对应电流为温升40℃时电流的最大值（Max）。

2.4 品质因数Q值

品质因数是表示储能器件在其周期内所存储能量与损耗能量之比的一种无量纲参数。对于电感器来说，Q值表示小信号下的能量存储能力，其定义为感抗（XL）与有效电阻（Re）之比，即Q=XL/Re=2πLf/Re。

2.5 阻抗

电感器的阻抗是指其在交流电流下电感所有阻抗的总和，阻抗值越大则对对应频率信号的阻碍和消耗作用越大。

2.6 插入损耗Insertion Loss

插入损耗指的是因元器件或分支电路插入而发生的能量或功率损耗，通常称为衰减，其表达式为S21=-10lg(Po/Pin)，其中Po为输出功率，Pin为发射端的输入功率。插入损耗在部分厂商的共模电感数据表中提供，能够比阻抗更加直观地描述出对信号的抑制程度。

2.7 自谐振频率SRF

自谐振频率（Self-Resonant Frequency），英文缩写SRF，是指电感器线圈中存在的分布电容与自身电感形成谐振时的频率。对于电感器来说，低于SRF为感性元件，高于SRF则为容性元件。当电感处于自谐振频率时，符合下面的所有条件：阻抗达到最大值，插入损耗S21为绝对值最大，相角为零，Q为零，电感值为零。行业内最常用的SRF测试方法：使用阻抗分析仪测量阻抗曲线，其阻抗最大值对应的频率就是SRF。多样品实测平均值定义为典型值，数据表中考虑测量的系统误差和产品线圈一致性，规格书中则定义比实测平均值低15%～20%为最小值。

2.8 额定电压

对于电气设备来说，额定电压是指其长期工作中正常的最佳电压，也称为标称电压。对于电感器来说，额定电压指的是长时间施加在其两端能正常工作的最大电压值。

为何电感器制造商公布上的绝大部分电感数据表或目录中都没有规定额定电压？为了保证电感器正常工作，自感应或施加在电极两侧电压必须保证电感磁体不会出现饱和同时满足其线圈内部不会发生拉弧或绝缘击穿。高于额定电压时，会造成绕组之间或者绕组对磁芯之间电气击穿而短路。漆包线和磁芯是电感器必备材料，其绝缘性在设计中必须要考虑。漆包线的抗电强度一般在500～2000Vac，如果直接和磁芯接触，还要考虑其电阻率（见表1），NiZn电阻率106～107Ω·m，可以当做“绝缘材料”，如果作为DC-DC电路中不需要考虑工作电压问题。如果使用金属软磁（FeSiCr复合材料或羰基铁粉类）和MnZn铁氧体时，电感器设计者则要特别注意，一体成型（模压电感）使用的金属软磁FeSiCr复合材料，材料电阻率在103～104Ω·m级别，其磁体本体和线圈之间抗电强度在一般在60～170V，工作时其两端的施加电压最好不要超过70V。功率磁珠MHB系列由MnZn铁氧体UI或者EI类型磁体和铜片导体装配，一般在电压小于20V时不会出现击穿短路，电感值小于800nH、额定电流大于15A的电感器正常工作范围一般在0.5～3.3V，更加不可能有电压击穿问题。大部分商用电感器的应用场景都是在直流转换器中，其输出电压包括48、36、24、12、5、3.3、1.xV等多种规格。从电路上分析，电感器两端电压一定比电路输出电压要小得多，那么电感器工作电压大概率在1～48V。多数电源线功率电感不是通过高压感应而已是通过抑制电流而来工作的，只需要饱和电流Isat和电感值L满足要求则可以正常工作。在这种情况下就不需要考虑工作电压问题，故这一类功率电感器的目录上不会规定额定电压。

表1 常见软磁材料电阻率

对于高电线路或绕组的高压感应工作应用，例如电源线共模、差模电感、PFC升压电感，必须考虑绕组之间或者磁芯对绕组间可能会发生的击穿。高耐压电感器在设计过程要考虑材料绝缘性、安规距离等，为了验证符合使用的高压场合，要增加满足磁芯和绕组绝缘电阻100MΩ@500Vdc、绕组之间抗电强度500Vac或1500Vac的额外抗电强度测试。

3 电路模型及其高频特性

对于高频电感，其等效电路为串联，简化的电路模型如图9所示。

图9电感等效电路（串联）

红色部分LS阻抗计算ZLs如下：

式中CP和L0分别为电感元件的线圈的分布电容和真实的电感，ω为角频率。

串联等效阻抗计算如下：

那么由式2可以得到式3：

串联等效电感线圈看作由电感LS和电阻抗RS的串联。

CP为线圈的分布电容在内的电路参数，此刻LS包括了CP，所以Lm为电感的测量值。

电感VS的频率特性曲线如图10所示，根据式3可知，电感值在高频下会快速升高主要是高频下电容带来的影响，测量显示“虚增”电感。这部分虚增电感不具备储能作用，作为功率电感，这类储能电感要注意其实际的电感值L0，真实有效的储能电感值L0对应的频率一般小于SRF的1/3。如果线圈中带有磁体，则RS包括磁损和交流铜损，对于EMC滤波器件的设计则要考虑器件磁材损耗特性；当频率高于SRF时，降低线圈分布电容，可以提升其阻抗值。因此，深刻理解电感电路的等效模型对相关测量和设计应用都有重要作用。

图10 电感的频率特性

4 电感参数选择与应用

电感器的选择涉及以下这些关键参数：电感，阻抗，饱和电流，温升电流，SRF，Q值。对应不同场合应用场景，则需要参数要求也有不同。

如果把电感当做一个简单的高频扼流圈、差模或共模电感，要根据其抑制噪声所在频率来选择，选择阻抗值较大的频段，也就是自谐频率（SRF）对应的阻抗峰值。对于高阶滤波器，电感值则根据滤波器带宽和截止频率来计算。对于功率电感，其电感选择主要根据各自的拓扑类型以及工作模式来计算得到，电感可选范围比较大。电感值小，纹波大；电感值大，纹波小，但动态响应变慢。因此，需要结合纹波率要求来选择电感值和饱和电流。

从功率电感设计和电路应用角度确定饱和电流与温升电流之间最优的比值关系：确保温升电流在尽可能大的前提下，在降压电路中，对于连续模式（CCM），最好要满足饱和电流Isat数值是温升电流Irms的1.3倍或以上；而在非连续模式（DCM）中，则需要满足2倍或以上。为了确保电路安全，需要考虑应用的余量，选择的电流规格要比电路需求值大，推荐选择数表中规定饱和电流是实际需求值1/0.8～1/0.6（1.25～1.66）倍的电感器，换言之如果需求为6～8A，则选用饱和电流规格10A或以上的电感器；而温升电流，考虑到交流损耗，则推荐1/0.9～1/0.5（1.11～2.0）倍。

对于功率电感来说，应用的开关频率都小于500kHz，也小于磁芯截止频率，同时更是远远小于SRF，所以不需要考虑SRF，因而在一些制造商的功率电感数据表中没有出现SRF规格。RF电路中的电感工作频率一般选择小于SRF的1/2。

电感器的小信号（高频、小电压的交流）和大信号（大直流偏置场）的损耗机理和计算差异比较大，小信号下Q值高，不代表在大信号下损耗小，它们之间没有直接的强关联，Q值对于直流模块中的功率电感来说几乎没有作用，故功率电感目录中Q值不做定义，对于高频电路RF电感则需要考虑；比如LC振荡电路，高Q值产生窄带宽和插入损耗，使功率损耗最小化。