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1、電感元件介紹,A.基本原理 B.名詞參數 C.電感分類,D.磁性材料 E.電感選擇 F.Noise,A.基本原理,電感係屬電子被動元件,其作用在抑制電流的變化,亦常被稱之為”交流電阻”,其抑制電流變化的功能及磁場儲存能量的能力為電感最有效能的特性,電流流經一電感時會產生磁場,而磁場的變化會在產生電流的方向感應一電壓,這種抑制電流變化的特性被稱之為電感值,由一電流變化而在電感兩端產生的電壓可被定義成: V= L di/dt 因而感應電壓正比於電感值及電流變化速率.,A.基本原理,一般電感器除了理想電感成份外, 在(鐵)芯內外均有各式不理想成份存在。在(鐵)芯外, 有因輸出導腳間、以及繞線間之並聯
2、等效電容, 以及導腳和繞線所形成之串聯等效電阻。在(鐵)芯內, 有磁化延遲, 磁滯損失以及渦流損失等形成之串、並聯等效電阻。一般將之簡化為如下圖之近似等效電路。,A.基本原理,電感器之近似等效電路,4.電感值公差 ( Inductance Tolerance ) : 標準電感值公差一般以英文字母表示如下表:,B.名詞參數,5.額定電流 Irms ( Rate Current ) : 泛指電感線圈通過電流負載時,因銅線阻抗所造成的溫昇達 到額定溫度時的電流值,決定銅線溫昇的主因為直流損耗及 高頻集膚效應.,W = I x DCR 銅線損耗計算,B.名詞參數,6.飽和電流 Isat ( Satur
3、ation Current ) : 當電流上升而導致電感值下降的現象稱之為磁飽和,電感的 飽和電流會隨著製造廠的定義有所不同,常見為導致靜態電 感達到80%為標準.下圖為磁飽和示意:,B= /A B: 磁束密度 : 磁力線數 A: 磁體截面積,H=NI / l H: 磁場強度 N: 銅線圈數 I: 電流 l:平均磁路徑, =B /H : 導磁率,L = NA/ l,”,” 的現象稱為磁飽和,7.銅線阻抗 DCR ( DC Resistance ) : 靜態測試時的銅線阻抗,可藉由DCR值的大小來判定電感的額 定電流值是否正確.,B.參數定義,8.導磁率 ( Permeability ) : 導
4、磁率是以描述材料被磁化之難易程度,亦即導通磁力線之 能力.對相同材料而言,導磁率並非一個定常數,其與外加磁 場強度(H)及磁通密度(B)之比例有關。,9. AL值 : 由於使用透磁率換算電感值時需要冗長的計算程序，所以 供應商都會提供比較容易執行換算的AL值.,B.名詞參數,L = AL x N AL公式應用,10. Core Loss : 磁性材料在磁電能量轉換當中,會有能量轉換的功率損耗, 通常耗功以熱能方式表現,可分類如下: a.磁滯損耗 (低頻影響大) b.渦流損耗 (高頻影響大) c.剩餘損耗 (一般忽略不記),C.電感分類,由於電感的形成乃是由導電體繞過磁性體後,形成一環狀迴路稱之
5、為線圈,而其形式更是複雜多變,大致上可以依下列所示區分: 1.SMD 表面黏著式. 1.1積層式晶片電感: 常用於抑制電子迴路上的低 功率高頻雜訊.各式應用皆能發現其蹤跡.,QT,QTL SERIES,QHL SERIES,C.電感分類,1.2繞線式晶片電感:提供高電流特性的晶片電感. 常見應用實例如: LCD Monitor, DVD Recorder, xDSL, Cable Modem, Mother Board, VGA Card, Notebook PC.,CML SERIES,QPI SERIES,開放型磁路,開放型磁路,C.電感分類,1.3開磁路SMD功率電感:適用於各式DC/D
6、C儲能 電感運用.,QPC SERIES,SPT SERIES,開放型磁路,開放型磁路,C.電感分類,1.4閉磁路SMD功率電感:適用於各式DC/DC儲能 電感運用.,QPCR SERIES,QPCRH SERIES,C.電感分類,封閉型磁路,封閉型磁路,2.DIP 插件式. 2.1色碼電感:,AL SERIES,DR SERIES,2.2 開磁路工字型電感,開放型磁路,開放型磁路,C.電感分類,DRR SERIES,2.2 閉磁路工字型(加磁套)電感,C.電感分類,2.3 開磁路棒型電感:,R SERIES,開放型磁路,封閉型磁路,M SERIES,2.4閉磁路環型電感:適用於各式大電流電源
7、儲 能電感運用. 常見應用實例如:主機板、伺服器、電源供應 器、多功能事務機、直流轉換器 .,封閉型磁路,C.電感分類,D.磁性材料,D.磁性材料,電感設計時,磁性材料的選擇是不可或缺的條件, 正確的磁性材料選擇除了會讓特性應用更佳外,在價 格上及安全考量上也會有突出的表現.,簡易應用分類: 1.電壓轉換 ( Ferrite, Amorphous, 矽鋼片 ) 2.電感儲能 ( Powder Core, Gapped Ferrite ) 3.電感耗能 ( Ferrite, Amorphous, Air ),磁性材料簡表,D.磁性材料,Ferrite Mn-Zn : 優點: 導磁率高,低能量轉換
8、損耗,飽和磁束密度高. 缺點:電阻值低,導磁律公差較大,熱敏感度高. Ni-Zn : 優點: 電阻值高,價格低,容易加工. 缺點: 飽和磁束密度低,熱敏感度高.,D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Mn-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Mn-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Ni-Zn),D.磁性材料,Ferrite 材料特性 (Ni-Zn),D.磁性材料,D.磁性材料,Powder Core 單位導磁體以粉末組成,粉末顆粒間使用絕緣接著劑區隔,造成材料內 部擁有許多空氣隙(Air Gap),以達到磁場強度增加時有較低的磁束密度變 化,常用在電感儲能的應
9、用.,D.磁性材料,Powder Core (磁飽和計算),F. 電感選擇,在此探討主機板VRM迴路中所需要的電感,以下為三相脈 衝調變輸出迴路示意:,F.電感選擇,L1 : 為VRM前級先行作12V輸入電壓濾波,在VRM10.x標 準中其最大負載電流為9.17A,由於磁場強度不大,因 此可以使用容易製作的環型線圈或是棒型線圈設計. 基本上選用時以尺寸及單價為最大設計考量.,F.電感選擇,常見使用電感值為: 1.0uH 2.2uH,L2 L3 L4 : 為VRM迴路之輸出濾波電感,其電感需求會隨 著電源管理IC的脈沖輸出頻率上升而下降,由於其輸出 電流往往達到30A40A的高負載,所以對於直流
10、阻抗的 要求就相對嚴苛,一般來說DCR必須小於1.0mohm的標 準,在加上電流偵測迴路需加上DCR條件盡,F.電感選擇,PWM調變頻率對電感值的選用表,目前VRM10.x的設計規格是由CPU大廠Intel所提出,其公 板VRM迴路設計時強調縮短CPU間傳輸距離,其目的是降低傳 輸的直流損耗,並藉由CPU上方的風扇來協助VRM迴路散熱, 為符合此散熱設計方式,電感線圈高度必須限制在10mm以下.,F.電感選擇,VRM Choke 特性範例,G. Noise,由於主機板上電壓調整模組(VRM)的電流負載趨勢越來 越高,導致電感線圈必須擁有高儲能特性,而這些高儲能特性的 需求必須藉由磁性材料間的空
11、氣隙(Air Gap)來達成,相對也容 易造成導磁單體間的磁壁磨擦,藉由空氣傳導 20Hz20KHz的 人耳可判定噪音. VRM Choke 常使用Iron Power Core作為導磁材料,鐵芯 本身是由很多細小的鐵粉顆粒攪拌接著劑後成型.結構如下圖:,G.Noise解決,55 ui,35 ui Gap多,35 ui Gap大,在Iron Power Core內部之導磁單體為鐵粉顆粒,當環型線 圈產生噪音時,我們可以使用粒徑更小的鐵粉,以降低顆粒間 Gap距離,增加Gap數量.其作用是導致磁壁間摩擦所產生的振 動頻率超出一般聽力20KHz的範圍. VRM Choke除了環型線圈之外,還可以看到一些外觀成方 型的電感,大部分的磁路可以區分如下:,IH 磁路,EE 磁路,EI 磁路,RI 磁路,因所有組合式電感設計的鐵芯都會有接合性的Gap存在, 所以在組合式電感產生噪音時,必須探討組合結構是否出問題.,G.Noise解決,除了電感材料本身改善外,VRM迴路設計工程師也可以借 由調整電源管理IC的輸出頻率,同時也調整需求電感值,讓震動 頻率能夠隨著改變,超出人耳判聽的範圍.,G.Noise解決,
