電子設計基礎（三）：電感

　　六、自感與互感

　　自感

　　當線(xiàn)圈中有電流通過(guò)時(shí)，線(xiàn)圈的周?chē)蜁?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。當線(xiàn)圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周?chē)拇艌?chǎng)也產(chǎn)生相應的變化，此變化的磁場(chǎng)可使線(xiàn)圈自身產(chǎn)生感應電動(dòng)勢(感生電動(dòng)勢)(電動(dòng)勢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(xiàn)圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線(xiàn)圈，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線(xiàn)圈的自感與兩個(gè)電感線(xiàn)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載電流的要求來(lái)決定。流過(guò)電感L的電流分為連續和不連續兩種工作情況。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 )因為負載電流的減小而改變。

　　如果負載電流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應等于電流峰一峰值的-半，即

　　Ioc=1/2△iL

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

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

　　單端正激式轉換器的閉環(huán)控制電路

　　L值的另一個(gè)限制因素將出現在應用于多組輸出電壓的情況。因為控制環(huán)只與-個(gè)相關(guān)的輸出端閉環(huán)，當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。對于其他的輔助輸出端，假定其所帶的是恒定負載，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)大將使調節系統的反應速度減慢。因為過(guò)大的L在負載出現較大的瞬態(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。在板卡設計中，共模電感也是起EMI濾波的作用，用于抑制高速信號線(xiàn)產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射。

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

　　計算機內部的主板上混合了各種高頻電路、數字電路和模擬電路，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(xiàn)或外接線(xiàn)纜向外發(fā)射，造成電磁輻射污染，不但影響其他的電子設備正常工作，還對人體有害。

　　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(lèi)：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(xiàn)(連接主板各元件的導線(xiàn))為例，所謂串模干擾，指的是兩條走線(xiàn)之間的干擾;而共模干擾則是兩條走線(xiàn)和PCB地線(xiàn)之間的電位差引起的干擾。

　　串模干擾電流作用于兩條信號線(xiàn)間，其傳導方向與波形和信號電流一致;共模干擾電流作用在信號線(xiàn)路和地線(xiàn)之間，干擾電流在兩條信號線(xiàn)上各流過(guò)二分之一且同向，并以地線(xiàn)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(xiàn)上的共模電流)，那么共模干擾電流就很容易通過(guò)接口數據線(xiàn)產(chǎn)生電磁輻射-在線(xiàn)纜中因共模電流而產(chǎn)生的共模輻射。美國FCC、國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )的CISPR22以及我國的GB9254等標準規范等都對信息技術(shù)設備通信端口的共模傳導干擾和輻射發(fā)射有相關(guān)的限制要求。

　　為了消除信號線(xiàn)上輸入的干擾信號及感應的各種干擾，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)雙向濾波器：一方面要濾除信號線(xiàn)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)境下其他電子設備的正常工作。

　　上圖是我們常見(jiàn)的共模電感的內部電路示意圖，在實(shí)際電路設計中，還可以采用多級共模電路來(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，其結構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構開(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(xiàn)圈。這兩個(gè)線(xiàn)圈繞在同一鐵芯上，匝數和相位都相同(繞制反向)。這樣，當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(xiàn)圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號電流主要受線(xiàn)圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經(jīng)線(xiàn)圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì )在線(xiàn)圈內產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線(xiàn)圈的感抗，使線(xiàn)圈表現為高阻抗，產(chǎn)生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

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

　　小知識：漏感和差模電感

　　對理想的電感模型而言，當線(xiàn)圈繞完后，所有磁通都集中在線(xiàn)圈的中心內。但通常情況下環(huán)形線(xiàn)圈不會(huì )繞滿(mǎn)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。

　　在濾波器的設計中，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，以達到更好的濾波效果。

　　從看板卡整體設計看共模電感

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

　　不可否認，共模電感對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(xiàn)纜形成電磁輻射影響其余外設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設計是一個(gè)相當龐大和系統化的工程，采用共模電感的設計只是其中的一個(gè)小部分。高速接口處有共模電感設計的板卡，不見(jiàn)得整體防EMI設計就優(yōu)秀。

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

　　●主板Layout(布線(xiàn))設計

　　對優(yōu)秀的主板布線(xiàn)設計而言，時(shí)鐘走線(xiàn)大多會(huì )采用屏蔽措施或者靠近地線(xiàn)以降低EMI。對多層PCB設計，在相鄰的PCB走線(xiàn)層會(huì )采用開(kāi)環(huán)原則，導線(xiàn)從一層到另一層，在設計上就會(huì )避免導線(xiàn)形成環(huán)狀。如果走線(xiàn)構成閉環(huán)，就起到了天線(xiàn)的作用，會(huì )增強EMI輻射強度。

　　信號線(xiàn)的不等長(cháng)同樣會(huì )造成兩條線(xiàn)路阻抗不平衡而形成共模干擾，因此，在板卡設計中都會(huì )將信號線(xiàn)以蛇形線(xiàn)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(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)也會(huì )最大限度地減小彎曲的擺幅，以減小環(huán)形區域的面積，從而降低輻射強度。

　　主板的蛇形布線(xiàn)

　　在高速PCB設計中，走線(xiàn)的長(cháng)度一般都不會(huì )是時(shí)鐘信號波長(cháng)1/4的整數倍，否則會(huì )產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生嚴重的EMI輻射。同時(shí)走線(xiàn)要保證回流路徑最小而且通暢。對去耦電容的設計來(lái)說(shuō)，其設置要靠近電源管腳，并且電容的電源走線(xiàn)和地線(xiàn)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。

　　當然，上述只是PCB防EMI設計中的一小部分原則。主板的Layout設計是一門(mén)非常復雜而精深的學(xué)問(wèn)，甚至很多DIYer都有這樣的共識：Layout設計得優(yōu)秀與否，對主板的整體性能有著(zhù)極為重大的影響。

　　●主板布線(xiàn)的劃斷

　　如果想將主板電路間的電磁干擾完全隔離，這是絕對不可能的，因為我們沒(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中的金屬導線(xiàn)是傳遞干擾電流的罪魁禍首，它像天線(xiàn)一樣傳遞和發(fā)射著(zhù)電磁干擾信號，因此在合適的地方“截斷”這些“天線(xiàn)”是有用的防EMI的方法。

　　“天線(xiàn)”斷了，再以一圈絕緣體將其包圍，它對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。這種設計能明顯地增加高頻工作時(shí)的穩定性和防止EMI輻射的產(chǎn)生，許多大的主板廠(chǎng)商在設計上都使用了該方法。

　　電感的計算公式：

　　加載其電感量按下式計算：線(xiàn)圈公式

　　阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作頻率) * 電感量(mH)，設定需用 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

　　據此可以算出繞線(xiàn)圈數：

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

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

　　空心電感計算公式

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

　　D------線(xiàn)圈直徑

　　N------線(xiàn)圈匝數

　　d-----線(xiàn)徑

　　H----線(xiàn)圈高度

　　W----線(xiàn)圈寬度

　　單位分別為毫米和mH。。

　　空心線(xiàn)圈電感量計算公式：

　　l=(0.01*D*N*N)/(L/D+0.44)

　　線(xiàn)圈電感量 l單位： 微亨

　　線(xiàn)圈直徑 D單位： cm

　　線(xiàn)圈匝數 N單位： 匝

　　線(xiàn)圈長(cháng)度 L單位： cm

　　頻率電感電容計算公式：

　　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(xiàn)圈電感的計算公式

　　1。針對環(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(xiàn)圈匝數(圈)

　　AL= 感應系數

　　H-DC=直流磁化力 I= 通過(guò)電流(A)

　　l= 磁路長(cháng)度(cm)

　　l及AL值大小，可參照Micrometal對照表。例如： 以T50-52材，線(xiàn)圈5圈半，其L值為T(mén)50-52(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)驗公式

　　L=(k*μ0*μs*N2*S)/l

　　其中

　　μ0 為真空磁導率=4π*10(-7)。(10的負七次方)

　　μs 為線(xiàn)圈內部磁芯的相對磁導率，空心線(xiàn)圈時(shí)μs=1

　　N2 為線(xiàn)圈圈數的平方

　　S 線(xiàn)圈的截面積，單位為平方米

　　l 線(xiàn)圈的長(cháng)度， 單位為米

　　k 系數，取決于線(xiàn)圈的半徑(R)與長(cháng)度(l)的比值。

　　計算出的電感量的單位為亨利(H)。