射频电感的主要技术参数

看到文章的标题,可能很多读者会有疑惑,本文为什么会出现如此基础的技术文章?前几天本站发表了一篇“电感Q值对射频巴伦(Balun)的影响”的文章,里面降到了射频电路设计中电感的重要性。其实回想很多产品设计过程中,越是基础的问题,就越是值得引起注意,所以 笔者打算与读者分享本文。本文不是本站原创,是摘自Token公司的官方网站,Token也是一家做被动器件很有名气的公司,感兴趣的读者可以访问Token的官方网站:http://www.token.com.tw

电感量 Inductance

电感器件的的特性就是能抑制流经电感的电流的突变。电感之电感量会受磁芯之材质、磁芯之形状及尺寸、绕线的圈数及线圈的形状所影响。 电感器的电感量通常用微享(μH)来表示。下列的表格可以用来将电感值的单位换算成微亨。因此,

1 henry (H) = 106 μH

1 millihenry (mH) = 103 μH

1 microhenry (μH) = 1 μH

1 nanohenry (nH) = 10-3 μH

直流阻抗 DCR (DC Resistance)

电感线圈在非交流电下量得之电阻值。在电感设计中,直流阻抗越小越好,其量测单位为欧姆,通常标注其最大值。

饱和电流 Saturation Current

定义为在电感器中流过、引起电感量下降一特定量的直流偏置电流。电感量下降的值是从直流电流为零时的电感量开始计算。通常定义的电感值下降百分比有 10% 及 20%。

在储存能量的应用中,铁氧体磁芯的电感量下降规定为 10% 及粉末磁芯的电感量下降规定为 20%。

因此直流偏压电流而致电感值下降的因素与磁芯的磁性有关。磁心和磁心周围的空间只能存储一定量的磁能。超出最大的磁通量密度点以后,磁心的导磁率会降低。

因此,电感值会因而下降。空心电感并不存在磁芯饱和的问题

增量电流 Incremental Current

指流经电感的直流偏压电流,与没有直流偏压电流的电感量相比,这个电流会引起电感量下降 5%。这个电流强度说明电感值在持续增加的直流偏压下将急速 的下降。这个结果适用于铁氧体磁心,但不适用于粉状磁心。粉状磁芯具有“软性”的饱和特性,意思是指在较高的直流偏压下,其电感量的下降较铁氧磁芯来的缓和。 同时、电感值下降的速率亦和铁芯的形状有关。

额定电流 Rated Current

允许能通过一电感之连续直流电流强度。是指电感器处在额定最高环境温度的环境中、电感器温升最高时、可以连续流过的直流电流的大小。额定电流与一电感藉由低的直流电阻以降低绕组的功耗的能力有关。它也与电感器把绕组的功耗散发出去的能力有关。

因此,降低直流电阻或者增大电感器的尺寸可以提高额定电流。对于低频电流波形,可以用有效值电流代替额定直流电流。额定电流与电感器的磁性无关。

导磁率 Permeability (Core)

磁芯的导磁率是指令磁芯具有集中磁通线的能力的特性。磁芯的材质及磁芯的形状会影响磁芯的〝有效导磁率〞。对一个已知的磁芯形状、尺寸及材质和特定的绕组,具较高导磁率的磁性材质与较低导磁率的材质比较起来,会有较高的电感值。

自谐频率 SRF (Self-Resonant Frequency)

电感器中的分布电容与电感形成谐振时的频率。此时电感的感抗等于电容的容抗,并且互相抵消。电感在自谐频率点时,显现出具高阻抗值的纯电阻状态。

分布电容是由于各层线圈一层层叠着并且是绕在磁心上而形成的。此电容是并联于电感。当频率高于自谐频率时,此并联之容抗会主导组件的特性。

而且,此电感之质量系数于自谐频率时会为零,因此时之感抗等于零。自谐频率以 MHz 标示,且在产品的数据表内以最小值登载。

这项参数是做射频电路设计需要重点考虑的。

分布电容值 Distributed Capacitance

在电感的结构中,每一圈的导线或导体都起电容器极板的作用。其每圈结合起来的效果,有如单一之电容值,称之分布电容值。分布电容是与电感器并联着的。电感和分布电容的并联电路会在某个频率产生谐振,这个频率称作自谐频率(SRF)。 一个电感器的分布电容越小,它的自谐振频率就越高;相反,如果分布电容越大,它的自振频率就越低。

品质因数 Q

电感的质量系数是量测一电感相对损耗的指标。这 Q 值被称为“品质因数”,它的定义为感抗 (XL) 对有效电阻 (Re) 之比,如下所示:

Q = frac{XL}{Re} = frac{2πfL}{Re}

因为感抗及有效电阻都相关于频率,当要确定质量系数时需指定一个测试频率。在低频时,感抗的增高一般随频率的增加速率比有效电阻来的大,在高频时掉的也快。 故质量系数对频率的关系形成一钟型的曲线。有效电阻主要由绕组的直流电阻、铁芯损耗及集肤效应所造成。由上列之公式可看出在自谐频率时之质量系数为零,因为此时的电感值为零。

Q值同样是射频电路设计需要重点考虑的。

阻抗 Impedance

一电感的阻抗值是指其在电流下所有的阻抗的总和,包含了交流及直流的部份,直流部份的阻抗值仅仅是绕线的直流电阻,交流部份的阻抗值则包括电感的电抗。

下列的方程式用来计算一理想电感(没有能量损失)在一正弦波交流讯号下的电抗:

Z = XL = 2πfL

L的单位为亨利而f的单位为赫兹,此方程式说明一较高的阻抗值可由较高的电感值或在较高的频率下得到,此外、集肤效应及铁损亦会增加一电感的阻抗值。

操作温度范围 Operating temperature range

元组件可以持续操作的整体环境温度范围,操作温度范围不同于储存温度,因操作温度范围包括元组件本身的热功耗,热功耗相当于铜损,公式计算如下:

功耗 = (DCR) (I2dc)

最大操作温度 = 储存温度自我温升

功耗导致元组件自身温度高于环境温度。因此,最大的操作温度范围应低于最大的储存温度。

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