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电感线圈基础知识

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电感线圈
电感线圈是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上，导线彼此互相绝缘，而绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯，简称电感。用L表示，单位有亨利(H)、毫亨利(mH)、微亨利(uH)，1H=10^3mH=10^6uH。
一、电感的分类
按电感形式分类：固定电感、可变电感。
按导磁体性质分类：空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。
按工作性质分类：天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。
按绕线结构分类：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。
二、电感线圈的主要特性参数
1、电感量L
电感量L表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。除专门的电感线圈（色码电感）外，电感量一般不专门标注在线圈上，而以特定的名称标注。
2、感抗XL
电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL，单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为XL=2πfL
3、品质因素Q
品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R
线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的Q值通常为几十到几百。
4、分布电容
线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差，因而线圈的分布电容越小越好。
三、常用线圈
1、单层线圈
单层线圈是用绝缘导线一圈挨一圈地绕在纸筒或胶木骨架上。如晶体管收音机中波天线线圈。
2、蜂房式线圈
如果所绕制的线圈，其平面不与旋转面平行，而是相交成一定的角度，这种线圈称为蜂房式线圈。而其旋转一周，导线来回弯折的次数，常称为折点数。蜂房式绕法的优点是体积小，分布电容小，而且电感量大。蜂房式线圈都是利用蜂房绕线机来绕制，折点越多，分布电容越小
3、铁氧体磁芯和铁粉芯线圈
线圈的电感量大小与有无磁芯有关。在空芯线圈中插入铁氧体磁芯，可增加电感量和提高线圈的品质因素。
4、铜芯线圈
铜芯线圈在超短波范围应用较多，利用旋动铜芯在线圈中的位置来改变电感量，这种调整比较方便、耐用。
5、色码电感器
色码电感器是具有固定电感量的电感器，其电感量标志方法同电阻一样以色环来标记。
6、阻流圈（扼流圈）
限制交流电通过的线圈称阻流圈，分高频阻流圈和低频阻流圈。
7、偏转线圈
偏转线圈是电视机扫描电路输出级的负载，偏转线圈要求：偏转灵敏度高、磁场均匀、Q值高、体积小、价格低。 (end)

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常用电子元器件应用要点及识别方法

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一、电阻
电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R1表示编号为1的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置等。
1、参数识别：
电阻的单位为欧姆（Ω），倍率单位有：千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。换算方法是：
1兆欧=1000千欧=1000000欧
电阻的参数标注方法有3种，即直标法、色标法和数标法。
a、数标法主要用于贴片等小体积的电路，如：
472 表示 47×100Ω（即4.7K）; 104则表示100K
b、色环标注法使用最多，现举例如下：
四色环电阻 五色环电阻（精密电阻）
2、电阻的色标位置和倍率关系如下表所示：
颜色 有效数字 倍率 允许偏差（%）
银色 / x0.01 ±10
金色 / x0.1 ±5
黑色 0 +0 /
棕色 1 x10 ±1
红色 2 x100 ±2
橙色 3 x1000 /
黄色 4 x10000 /
绿色 5 x100000 ±0.5
蓝色 6 x1000000 ±0.2
紫色 7 x10000000 ±0.1
灰色 8 x100000000 /
白色 9 x1000000000 /
二、电容
1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。
电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。
容抗XC=1/2πf c (f表示交流信号的频率，C表示电容容量)
电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。
电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF
数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。
如：102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 uF
3、电容容量误差表
符 号 F G J K L M
允许误差 ±1% ±2% ±5% ±10% ±15% ±20%
如：一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%。
三、晶体二极管
晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如： D5表示编号为5的二极管。
1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小;而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。
2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下：
型号 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007
耐压（V） 50 100 200 400 600 800 1000
电流（A） 均为1
四、稳压二极管
稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。
1、稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高;后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。常用稳压二极管的型号及稳压值如下表：
型 号 1N4728 1N4729 1N4730 1N4732 1N4733 1N4734 1N4735 1N4744 1N4750 1N4751 1N4761
稳压值 3.3V 3.6V 3.9V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V 15V 27V 30V 75V
五、电感
电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。
电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。
直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻，压降很小;当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。电感一般有直标法和色标法，色标法与电阻类似。如：棕、黑、金、金表示1uH（误差5%）
的电感。
电感的基本单位为：亨（H） 换算单位有：1H=103mH=106uH。
六、变容二极管
变容二极管是根据普通二极管内部 “PN结” 的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。
变容二极管发生故障，主要表现为漏电或性能变差：
（1）发生漏电现象时，高频调制电路将不工作或调制性能变差。
（2）变容性能变差时，高频调制电路的工作不稳定，使调制后的高频信号发送到对方被对方接收后产生失真。
出现上述情况之一时，就应该更换同型号的变容二极管。
七、晶体三极管
晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示，如：Q17表示编号为17的三极管。
1、特点：晶体三极管（简称三极管）是内部含有2个PN结，并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型，这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。
电话机中常用的PNP型三极管有：A92、9015等型号;NPN型三极管有：A42、9014、9018、9013、9012等型号。
2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。为了便于比较，将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。
名称：共发射极电路 共集电极电路（射极输出器） 共基极电路
输入阻抗：中（几百欧～几千欧） 大（几十千欧以上） 小（几欧～几十欧）
输出阻抗：中（几千欧～几十千欧） 小（几欧～几十欧） 大（几十千欧～几百千欧）
电压放大倍数：大 小（小于1并接近于1） 大
电流放大倍数：大（几十） 大（几十） 小（小于1并接近于1）
功率放大倍数：大（约30～40分贝） 小（约10分贝） 中（约15～20分贝）
频率特性：高频差 好 好
应用： 多级放大器中间级，低频放大 输入级、输出级或作阻抗匹配用 高频或宽频带电路及恒流源电路
八、场效应晶体管放大器
1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。
2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号：
3、场效应管与晶体管的比较
（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管;而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。
（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。
（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。
（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。(end)

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作者：李金鹏 尹华杰 侯聪玲

引言
饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显磁饱和点的电感，在电子电路中常被当作可控延时开关元件来使用。由于其独特的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声抑制，大电流输出辅路稳压，移相全桥变换器，谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。
1饱和电感的分类及其物理特性[1]
1.1饱和电感的分类
饱和电感可分为自饱和和可控饱和二类。
1.1.1自饱和电感（Saturableinductor）
其电感量随通过的电流大小可变。若铁心磁特性是理想的（例如呈矩形），如图1（a）所示，则饱和电感工作时，类似于一个“开关”，即绕组中的电流小时，铁心不饱和，绕组电感很大，相当于“开路”；绕组中电流大时，铁心饱和，绕组电感小，相当于开关“短路”。

(a)理想磁特性B=f(H)(b)可饱和电感的B=f(H)
图1饱和电感的B－H特性

1.1.2可控饱和电感（controlledsaturableinductor）
又称可控饱和电抗器（controlledsaturablereactor），其基本原理是，带铁心的交流线圈在直流激磁作用下，由于交直流同时激磁，使铁心状态一周期内按局部磁回线变化，因此，改变了铁心等效磁导率和线圈电感。若铁心磁特性是理想的（B－H特性呈矩形），则可控饱和电感类似于一个“可控开关”。在开关电源中，应用可控饱和电感可以吸收浪涌，抑制尖峰，消除振荡，与快速恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。如图1（b）所示，可控饱和电感具有高磁滞回线矩形比（Br/Bs），高起始磁导率μi，低矫顽力Hc，明显的磁饱和点（A，B）及由于其磁滞回线所包围的面积狭小而使其高频磁滞损耗较小等特征。为此，可控饱和电感在应用方面的两个显著特点为
1）由于饱和磁场强度很小，所以，可饱和电感的储能能力很弱，不能被当作储能电感使用。可饱和电感的最大储能Em的理论值可用式（1）表示。
Em=μVH²/2 （1）
式中：μ为临界饱和点磁导率；
H为临界饱和点磁场强度；
V为磁性材料的有效体积。
2）由于可饱和电感的起始磁导率高，磁阻小，电感系数和电感量都很大，在施加外部电压时，电感内部起始电流增长缓慢，只有经过Δt的延时后，当电感线圈中的电流达到一定数值时，可饱和电感才会立即饱和，因而在电路中常被当作可控延时开关元件使用。
1.2可饱和电感随电流变化的关系
因为，有气隙和无气隙的dB/di磁路的计算方法不同，所以，分别对两种情况进行讨论。
1.2.1无气隙可饱和电感与电流的关系
无气隙可饱和电感L随电流变化的关系可用式（2）表示。

式中：W为电感绕组匝数；
I为激磁电流；
f为电感用磁性材料B～H曲线的对应函数；
S为磁性材料的截面积；
l磁性材料的为平均长度。
1.2.2有气隙可饱和电感与电流的关系
任意给定一个导磁体磁路中磁感应强度B1，可由B=f(H)曲线求出导磁体磁路中的磁场强度H1。气隙中的H0值可用式（3）表示。

式中：B0为空气隙磁感应强度；
a和b为磁路矩形截面积边长；
l0为气隙长度；
μ0为空气磁导率。
由磁路定律得改变B值并重复上述步骤，可求出相应的I，得到一组B和I的关系数据。设这个B与I对应的函数为B=f1(I)。
在不考虑漏感时，电感的计算式可用式（4）表示。

式中：φ为磁路磁通量。
则有气隙可饱和电感与电流的关系为
L=WSf1(I)（5）
2 饱和电感在开关电源中的应用
2.1 尖峰抑制器
开关电源中尖峰干扰主要来自功率开关管和二次侧整流二极管的开通和关断瞬间。具有容易饱和，储能能力弱等特点的饱和电感能有效抑制这种尖峰干扰。将饱和电感与整流二极管串联，在电流升高的瞬间，它呈现高阻抗，抑制尖峰电流，而饱和后其饱和电感量很小，损耗小。通常将这种饱和电抗器作为尖峰抑制器。
在图2所示电路中，当S1导通时，D1导通，D2截至，由于可饱和电感Ls的限流作用，D2中流过的反向恢复电流的幅值和变化率都会显著减小，从而有效地抑制了高频导通噪声的产生。当S1关断时，D1截至，D2导通，由于Ls存在着导通延时时间Δt，这将影响D2的续流作用，并会在D2的负极产生负值尖峰电压。为此，在电路中增加了辅助二极管D3和电阻R1。

图2尖峰抑制器的应用

2.2磁放大器
磁放大器是利用可控饱和电感导通延时的物理特性，控制开关电源的占空比和输出功率。该开关特性受输出电路反馈信号的控制，即利用磁芯的开关功能，通过弱信号来实现电压脉冲脉宽控制以达到输出电压的稳定。在可控饱和电感上加上适当的采样和控制器件，调节其导通延时的时间，就可以构成最常见的磁放大器稳压电路。
磁放大器稳压电路有电压型控制和电流型控制两种。图3所示为电压型复位电路，它包括电压检测及误差放大电路，复位电路和控制输出二极管D3，它是单闭环电压调节系统。

图3磁放大器电压型复位稳压电路

全桥开关电路变压器二次双半波整流各接一个磁放大器SR，其铁心绕有工作绕组和控制绕组。在正半周，当某输出整流管正偏（另一输出整流管反偏），变压器副边输出的方波脉冲加在相应的工作绕组上，使SR铁心正向磁化（增磁）；在负半周，该输出整流管反偏，和控制绕组串联的二极管D3正偏导通，在直流控制电流Ic的作用下，使该SR的铁心去磁（复位）。

图4移相全桥ZVS-PWM开关电源磁放大器稳压器

控制电路的工作原理是：开关电源输出电压与基准比较后，经误差放大控制MOS管的栅极，MOS管提供与输出电压有关的磁放大器SR的控制电流Ic。
2.3移相全桥ZVS-PWM变换器
移相全桥ZVS-PWM变换器结合了零电压开关准谐振技术和传统PWM技术两者的优点，工作频率固定，在换相过程中利用LC谐振使器件零电压开关，在换相完毕后仍然采用PWM技术传送能量，控制简单，开关损耗小，可靠性高，是一种适合于大中功率开关电源的软开关电路。但当负载很轻时，尤其是滞后桥臂开关管的ZVS条件难以满足。
将饱和电感作为移相全桥ZVS-PWM变换器的谐振电感[3]，能扩大轻载下开关电源满足ZVS条件的范围。将其应用于弧焊逆变电源中[4]，可减少附加环路能量和有效占空比的损失，在保证效率的基础上，扩展了零电压切换的负载范围，提高了软开关弧焊逆变电源的可靠性。
将饱和电感与开关电源的隔离变压器二次输出整流管串联，可消除二次寄生振荡，减小循环能量，并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占空比损失最小。
除此以外，将饱和电感与电容串接在移相全桥ZVS-PWM开关电源变压器一次[5]，超前臂开关管按ZVS工作；当负载电流趋近于零时，电感量增大，阻止电流反向变化，创造了滞后臂开关管ZCS条件，实现移相全桥ZV-ZCSPWM变换器。
2.4谐振变换器
采用串联电感或饱和电感的串联谐振变换器[6]如图5所示。当谐振电感电流工作在连续状态时，开关管为零电压/零电流关断，但开通是硬开通，存在开通损耗。反并联二极管为自然开通，但关断时有反向恢复电流，因此，反并联二极管必须采用快恢复二极管。为了减小开关管的开通损耗，实现零电流开通，可以使开关管串联电感或饱和电感。开关管开通之前，饱和电感电流为零。当开关管开通时，饱和电感限制开关管的电流上升率，使开关管电流从零慢慢上升，从而实现开关管的零电流开通，同时改善了二极管的关断条件，消除了反向恢复问题。

图5谐振变换器

2.5逆变电源[7]
逆变电源以其控制性能好，效率高，体积小等诸多优点，被广泛用于自动控制，电力电子及精密仪器等各个方面。它的性能与整个系统的品质息息相关，尤其是电源的动态性能。由于逆变电源自身的特点，其动态特性一直不够理想。
采用PWM和PFM控制的逆变电源，其工作原理决定了要得到平滑的电流电压波形，必须在其输出电路上加续流电感，而该电感正是影响逆变电源动态性能的主要因素。对于恒压源，电感电流与负载完全成反比关系；对于可控恒流源，要使电感电流由小变大，必然要以小的负载值作为前提，尽管不是完全的对应关系，但可以说电流的变化在某种程度上反映了负载的变化。
因此，采用随电流增大而减小的电感作为逆变电源的输出电感，可有效地改变电源输出电路的时间常数T，使其完全与R成反比（T=L/R），进而在负载变化范围内维持在一个相对较小的数值上，这样自然会提高动态性能。
3 结语
本文详述了饱和电感的物理特性及其电感与电流的变化关系，在此基础上总结了饱和电感在尖峰抑制器，磁放大器，移相全桥ZVS-PWM变换器，谐振变换器和逆变电源中的应用情况，并简要地分析了它们的工作原理。
作者简介
李金鹏（1979－），男，在读硕士研究生，专业为电力电子及电力传动，主要研究方向为特种开关电源。
尹华杰（1966－），男，博士，副教授，研究方向为智能电源。
侯聪玲（1978－），女，在读硕士研究生，专业为电力电子及电力传动，主要研究方向为特种开关电源。(end)

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作者：TI(德国)公司 Christophe Vaucourt

随着便携式电子产品的体积在不断缩小，其复杂性同时也在相应的提高。这使得设计工程师面临的问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。本文以德州仪器TPS6220x系列降压稳压器为例，向设计工程师介绍在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时，如何为DC/DC转换器选择正确的电感器与电容器。
随着手机、PDA以及其它便携式电子产品在不断小型化，其复杂性同时也在相应提高，这使设计工程师面临的问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。
使用DC/DC转换器主要是为了提高效率。很多设计都要求将电池电压转换成较低的供电电压，尽管采用线性稳压器即可实现这一转换，但它并不能达到基于开关稳压器设计的高效率。本文将介绍设计工程师在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时必须要面对的常见问题。
大信号与小信号响应
开关转换器采用非常复杂的稳压方法保持重/轻负载时的高效率。现在的CPU内核电源要求稳压器提供快速而通畅的大信号响应。例如，当处理器从空闲模式切换至全速工作模式时，内核吸收的电流会从几十微安很快地上升到数百毫安。
随着负载条件变化，环路会迅速响应新的要求，以便将电压控制在稳压限制范围之内。负载变化幅度和速率决定环路响应是大信号响应还是小信号响应。我们可根据稳态工作点定义小信号参数。因此，我们一般将低于稳态工作点10％的变化称为小信号变化。
实际上，误差放大器处于压摆范围(slew limit)内，由于负载瞬态发生速度超过误差放大器的响应速度，放大器并不控制环路，所以，在电感器电流达到要求之前，由输出电容器满足瞬态电流要求。
大信号响应会暂时使环路停止工作。不过，在进入和退出大信号响应之前，环路必须提供良好的响应。环路带宽越高，负载瞬态响应速度就越快。
从小信号角度来看，尽管稳压环路可以提供足够的增益和相位裕度，但是开关转换器在线路或负载瞬态期间仍然可能出现不稳定状态和振铃现象。在选择外部元件时，电源设计工程师应意识到这些局限性，否则其设计就有可能遇到麻烦。
电感器选型
以图1所示的基本降压稳压器为例，说明电感器的选型。
对大多数TPS6220x应用而言，电感器的电感值范围为4.7uH～10uH。电感值的选择取决于期望的纹波电流。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20％。如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。

以增加输出电压纹波为代价，使用低值电感器便可提高输出电流变化速度，从而改善转换器的负载瞬态响应。高值电感器则可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。
可将线圈总损耗结合到损耗电阻(Rs)中，该电阻与理想电感(Ls)串联，组成了一个如图1所示的简化等效电路。
尽管Rs损耗与频率有关，但在产品说明书中仍对直流电阻(RDC)进行了定义。该电阻取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间超过电流额定值。

图1：TPS6220x基本降压稳压器

线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗(磁滞损耗、涡流损耗)；趋肤效应造成的导体中的其他耗损(高频电流位移)；相邻绕组的磁场损耗(邻近效应)；辐射损耗
可将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs。因此，我们一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。这种测量可以确定XL(f)、Rs(f)和Z(f)个别分量。
我们将电感线圈电抗(XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q，参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。

品质—频率图可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低(Q值最高)的工作范围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增(Q降低)。
良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用铁氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。
输出电容器
消除输出电容器可以在成本和占板空间两方面实现节省。输出电容器的基本选择取决于纹波电流、纹波电压以及环路稳定性等各种因素。
输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。
因此，设计时应当选用ESR尽可能低的电容器。例如，采用X5R/X7R技术的4.7uF到10uF电容器表现为10m(范围的ESR值。轻负载(或者不考虑纹波的应用)也可以使用容值更小的电容器。

图2：品质-频率图 ：(a) Q和频率的关系；(b) RS和频率的关系。

TI的控制环路架构使您能够采用自己首选的输出电容器，同时还可以补偿控制环路，以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。
TPS6220x系列降压转换器具有内部环路补偿功能。因此，必须选择支持内部补偿功能的外部LC滤波器。对于此类器件而言，内部补偿最适合 16kHz的LC转角频率(corner frequency)，即10uH电感器与10uF输出电容器。根据一般经验法则，在选用不同输出滤波器时，L*C乘积不应当大范围变动。在选择更小的电感器或电容器值时，会造成转角频率增加至更高频率，因此这一点尤为重要。
在从负载瞬态出现到打开P-MOSFET期间，输出电容器必须提供负载所需的全部电流。输出电容器提供的电流会造成经过ESR的电压降低(从输出电压中扣除)。ESR越低，输出电容器提供负载电流时的电压损耗就越低。为了降低解决方案尺寸并且提升TPS62200转换器的负载瞬态性能，建议采用 4.7uH电感器和22uF输出电容器。
参考文献：
TI TPS62200 datasheet, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps62200.pdf
Trilogy of Inductors 2nd extended edition ISBN 3-934350-73-9, Wurth Elektronik (end)

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作者：德州仪器 Christophe Vaucourt

随着无线手持设备、PDA以及其它便携式电子产品的外形尺寸不断缩小，其复杂程度也持续增加，设计工程师将要面对越来越多的问题，包括电池寿命、板载面积、发热量及功率消耗。
当使用DC/DC转换器时，效率是最主要的目标。许多设计需求都涉及到将确定的电池电压转换至某个较低的供电电压。尽管线性稳压器可实现此目标，但却无法达到基于交换调节器(switching regulator)类设计的效率。本文将探讨若干个设计人员在折衷解决方案尺寸、性能集成本所需面对的，最常见的问题。
大信号响应vs.小信号响应
开关变换器基于非常复杂的稳压电路配置，以保持任意负载情况下的高效率。现代的CPU核心电源需要稳压器具有快速及顺畅的大信号响应。例如，当处理器由闲置状态转换至全速运转状态时，核心所汲取的电流可非常快速的从若干个微安培(micro-amp)上升至两百多个毫安培(milli-amp)。
随着负载状态的不断改变，回路也快速的响应着最新的需求，以确保电压处于稳压限之内。负载改变的总量及速率决定了回路的响应应称为大信号响应还是小信号响应。在此，我们基于某个状态恒定的工作点定义小信号参数。因此，我们一般认定在恒定状态点上下10%的变动称为小信号改变。
在实践中，误差放大器具有转换(slew)的限制而不用于控制回路，因为负载的瞬变所发生时间非常短，超出了误差放大器的响应范围，从而，输出电容将抑制瞬变的电流直至电感电流能“赶上(catch up)”。
大信号响应可能临时性的使回路脱离工作状态。尽管如此，还是要求回路在进入或脱离大信号响应时必须平滑顺畅。回路的带宽越宽，对于负载的瞬态响应程度就越快。
尽管稳压回路在预期的小信号情况下可展示出足够的增益及相位裕量，但开关变换器在线路或负载瞬变时仍可能出现不稳定及振荡。在选择外部元件时，电源设计者需要清楚地了解此类限制，否则，其设计将难于成功。
电感选择
基本的压降稳压器如图1所示，用于图示说明电感的选择。

图1 电感选择

对于绝大多数的TPS6220x应用，电感值可选在4.7μH至 10μH的范围内。该电感值是基于所期望的纹波电流而选取的。通常情况下，所推荐的工作纹波电流应低于平均电感电流的20%。高输入输出电压（VIN 或 VOUT）同样会增加了纹波电流，如下面的方程1所示。很明显的，电感必须能处理此类峰值转换电流，以避免核心电路的饱和状态（意味着电感的能量损失）。

在以更高的输出电压纹波为代价时，小电感将导致更高的输出电流转换速率，从而改善转换器对负载的瞬变响应。大电感则会降低纹波电流并降低线圈的磁滞损耗(magnetic hysteresis losses)。
总体的线圈损失可并入到损耗电阻(Rs)之中，在此把实际的电感看成损耗电阻与理想电感的串联。从而简化了等效电路，如图2所示。

图2 简化等效电路

尽管Rs上的损失是频率相关的，但直流阻抗(RDC)还是一直作为数据表中的规范参数进行定义。该阻抗取决于所采用的绕线材料或SMD（表面贴装器件）电感的构建类型，并在室温下通过简单的电阻测量得到。
直流阻抗的大小对线圈温度的升高有着直接的影响。因此，应极力避免超过额定电流的现象。
总体的线圈损耗同时包括了直流阻抗RDC的损耗以及取决于频率变化的损耗分量：
• 线圈材料损耗（磁滞损耗、涡流[eddy-current]损耗）
• 电感附带的趋肤效应损耗（高频电流转换）
• 邻近线圈的磁场损耗（邻近效应）
• 辐射损失
上述所有的损失分量都可归结于串联的损耗电阻(Rs)。损耗电阻主要用于定义电感的品质。但不足的是，数学上定义的损耗电阻Rs与实际并不相符。因此，电感通常需要采用阻抗分析仪进行整个频带的测量。该测量可给出独立的分量XL(f)、Rs(f) 以及 Z(f)。
感应线圈的电抗(XL)与总体电阻(Rs)的比值通常称为品质因数Q，如方程2所示。品质因数定义了电感的品质特性。损耗越大，则电感作为储能单元的效果也就越差。

图3a Q vs.频率(Hz)

图3b. Rs (Ω) vs. 频率 (Hz)

图3a/3b 4.7-μH绕线式(wire wound)电感，RDC=240mΩ / ISAT=700mA
图3a及3b所示的品质—频率曲线图有助于为特定应用挑选最优的电感架构。如图的测量结果所示，工作频率内损失最小的点（即Q值最高点）定义为品质的转折点。如果电感被用于更高的频率，则损失将急剧增加（Q值下降）。
设计优良的电感仅会降低较小百分比的效率。不同的核心材料及形状也将改变电感的尺寸/电流以及价格/电流的关系。具有防护层的铁酸盐电感更小，且能量辐射也更低。该选用那种类型的电感通常取决于价格vs.尺寸的需求以及可能的任意辐射场/电磁干扰需求。

图4. TPS62204 (1.6V) 效率 vs. 负载电流vs. 输入电压
4.7-μH绕线式电感，RDC=240mΩ / ISAT=700mA

输出电容
免除输出电容可节省成本及板载面积。对输出电容选择的基本因素是基于纹波电流、纹波电压以及回路稳定性的考虑。
输出电容的等效串联电阻(ESR)以及电感值直接影响到输出的纹波电压。输出纹波电压可基于电感的纹波电流(ΔIL)及输出电容的等效串联电阻(ESR)轻松估算得出。
因此，应选择等效串联电阻尽可能低的电容。例如，X5R/X7R 工艺制造的4.7μF ~10μF电容标示的等效串联电阻值在10 mΩ范围内。更小的电容可适用于小负载（或是应用于对纹波不敏感的应用）。
德州仪器控制回路的架构允许用户自行选定输出电容并对控制回路进行补偿以优化瞬态响应及回路稳定性。当然，内置的补偿在规定工作状态下可实现最优化的运作，并且该补偿对输出电容特性极为敏感。
TPS6220x系列步降转换器具有内置的环路补偿。外部的L-C滤波器的选定需要配合内置的补偿，对于此类器件，内置补偿针对LC滤波器（采用了10μH电感及10μF输出电容）16kHz的转降频率(corner frequency)做了优化。根据经验的公式，在选择不同的输出滤波器时，L*C的乘积不应偏移太大的范围。特别是对于选定更小电感及更小的电容值时，小偏移更为重要，否则将导致转降频率向高频漂移。
应用中，在负载瞬变及P-MOSFET开启的时间差期间，输出电容必须满足负载的所有电流需求。由输出电容支持的输出电流将引起跨越等效串联电阻两端的电压降，从而使输出电压降低。而等效串联电阻越低，当输出电容供给负载电流时的所产生的电压损失也就越小。为了最小化解决方案尺寸，并改善 TPS62200转换器的负载瞬变行为，推荐采用4.7μH电感及22μF输出电感工作。
图5a/5b为 TPS62204负载瞬变性能vs L-C滤波器，结合3.6V输入电压/1.6V定值输出电压。

参考资料： TI 的TPS62200数据表，http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps62200.pdf 电感三部曲扩展版第二版，ISBN 3-934350-73-9，Wurth Elektronik。(end)

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MLCC：
称雄电容器市场
MLCC(多层陶瓷电容器)是各种电子、通讯、信息、军事及航天等消费或工业用电子产品的重要组件。MLCC由于其小体积、结构紧凑、可靠性高及适于SMT技术等优点而发展迅速。目前，电容器市场无论从数量上还是市场潜力上来看都以陶瓷电容器份额最大。
全球MLCC产量随着IT产业的发展而不断增长，国内产量占全球产量的比例近年来也有较大的增长，我国已经逐渐成为世界MLCC的制造大国。
目前MLCC的国际上的发展趋势是微型化、高比容、低成本、高频化、集成复合化、高可靠性的产品及工艺技术。
当前MLCC需求的热点主要集中在手机、P4主板、DVD、数码相机和PS2游戏机等。手机对MLCC的要求特点是：数量大、尺寸小、质量高。在手机应用领域里，日商凭借技术上的绝对优势基本垄断市场。国内企业在手机配套实力明显不足。
片式陶瓷电感器：
电感元件发展方向
多层片式电感类元件包括了一大类具有叠层式介质/线圈结构的新型电子元件，是电感类元件发展的方向，也是三大类无源片式元件中技术含量最高的一大类。目前，这类元件已形成了规模相当大的产业和近百亿美元的国际市场。片式电感器的主要应用领域包括移动通信、计算机、音像产品、家电、办公自动化等。大屏幕彩电等新型家电产品也是片式电感器的重要应用领域。预计在今后若干年中，随着第三代移动通信技术、数字电视、高速计算机、蓝牙产品等新一代数字化电子产品的推出和世界各国EMI控制标准的相继制定，对各种片式电感类元件，特别是抗EMI类片式电感元件的需求将急剧上升。因此从整体上看，片式电感器的市场前景将十分看好。
片式电感器的生产企业主要分布在日本、美国、欧洲、韩国、我国的台湾和珠江三角洲地区。日本是生产片式电感器最早的国家，TDK、村田、 Tokin和太阳诱电都是具有大规模生产能力的厂商。其中TDK占全球片式电感市场的32%，村田的市场占有率是18%，太阳诱电为16%。
目前片式电感器元件发展的主要趋势是：抗电磁干扰成为片式电感类材料的主要应用领域；高感量和大功率；高频化；集成化。
片式微波电容器：
快速渗透通信领域
陶瓷电容器除在技术上继续向小尺寸、大容量、介质薄层化方向发展外，高频化也是一个重要的发展方向。为了满足通信设备的高频化对电子元器件的强劲需求，高电流承载能力的高Q微波陶瓷电容器得到了快速发展，并已成为片式陶瓷电容器的重要的组成部分，广泛应用于包括移动通信、WLAN、卫星广播设备、医疗电子、导弹系统、飞机雷达及导航系统等的射频/微波电路中，已成为通信终端设备向轻、薄、短、小和高频化趋势发展不可缺少的基础元器件。
片式化微波电容是先进多层陶瓷技术和高品质微波介质材料相结合的产物，是一类新型的表面贴装无源陶瓷元件，它具有高载流能力、高品质因数(Q)、超低等效串联电阻(ESR)、高的串联谐振频率(SRF)等特点，可广泛应用于光通信电路、微波通信电路中。
片式微波陶瓷电容器虽然应用广，前景好，发展空间广阔，但由于技术含量高，目前系列化产品仅美国、日本等少数国家可以生产，基本形成垄断，国内仅有少数单位开始研发，还没有形成规模生产能力。由于丰厚利润的驱动，近年来许多国外企业也相继加入到片式微波电容的研发行列中，其中最具代表性的有美国的 AVX、ATC、Johanson Technology，日本的Murata等。
压电陶瓷超声波电机：
突破传统电机概念
压电陶瓷超声波电机是近二十年发展起来的一种新型电机,其技术核心是采用功能陶瓷材料的电能-机械能的信号转换功能，实现对执行部件的驱动和控制。它打破了由电磁效应获得转速和扭矩的传统电机的概念，是当代国内外热门的高新技术之一。
在各类新型压电器件中，压电驱动器和压电陶瓷超声波电机是近年来发展速度最快、市场潜力巨大的一类高科技产品。目前，压电陶瓷超声波电机的发展，得到各国政府的高度重视，很多世界知名学府和研究机构都获得了各项政府基金和大量合作资金的资助，促进了压电陶瓷超声波电机朝着产业推广和应用大幅度迈进。
压电陶瓷超声波电机的技术特点是：(1)直接驱动，无需减速机构，可实现低速下(＜400rpm)比同尺寸电磁电机更大的力矩输出。(2)不采用磁性绕组：无电磁辐射，也不受电磁场干扰。(3)低噪音操作。传统电磁电机，尤其是功率稍大一些的电机类型，在工作中会产生比较明显的电机电磁辐射噪音。而压电陶瓷超声波电机在超声频(＞20kHz)范围内工作，对于超声频噪音人是没有听觉反应的。(4)断电自锁定、静态保持力矩大，有效避免了产品在正常工作中出现振颤、抖动等干扰现象。(5)响应快(＜4ms)、步进精度高。(6)易小型化和薄型化，目前压电陶瓷超声波电机直径最小可到1mm。(7)科技含量高。(8)结构设计灵活。
片式敏感陶瓷元件：
产业化发展迅速
德国西门子、日本TDK、日本村田、日本石冢、日本芝浦、我国台湾华星利华及兴勤等公司的新型热敏陶瓷元器件的年总产值约占世界总量的60%-80%，其中片式热敏元件由于其高昂的价格，约占热敏陶瓷元器件工业总产值的30%。敏感元件及传感器片式化生产技术，近年来在世界各国得到迅速发展，美国、法国、德国、荷兰、日本等国均已实现产业化。由于该项目产品技术含量高，国外在此技术领域对我们严格保密。
集成陶瓷元件：
LTCC引领发展
近年来，由于强大的市场需求牵动和相关材料和工艺技术的研究突破，将庞大数量的无源电子元件整合于同一基板内的梦想已成为可能，一次重大的技术革命和产业革命已经开始孕育，其重大意义和深远影响足以和集成电路的发展相提并论。
目前开发出的无源集成技术包括LTCC(低温共烧陶瓷)技术、薄膜集成技术、PCB集成技术，以及MCM多芯片组装技术。每一种技术方案均有各自的优势。但从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价，目前，LTCC技术是无源集成的主流技术。该技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在 900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。 (end)

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作者：村田制作所EMI事业部 田中硬强

随着电子移动终端的功能不断增多，其需要的工作电压也随之变得多样化。像手机，数码相机，PDA等诸多以电池供电的产品，它们的LCD背光驱动，功放模块和IC的电源电路均需要不同的输出电压。这样，需要一个DC到DC的转换器来将电池电源的电压转换成不同的多个电压给上述功能块供电。因此，为了减小功耗，延长电池寿命，高效率的电压转换器被广泛地使用，而影响转换器效率的关键因素是功率电感器。
同时，电子移动终端变得越来越来小，越来越薄，因而DC/DC转换器也需更小，更薄。但随着转换频率越来越高，功能越来越多，对小而薄型功率电感的额定电流的要求也越来越高。这样，大大加快了电感制作新技术的发展，包括材料，设计和生产工艺。基于此，村田公司提供了一系列非常适合小型移动终端产品中DC/DC转换使用的功率电感，包括绕线型LQH3NP_G0系列和叠层型LQM2HP_J0系列，并已投放市场。这些器件不但尺寸小，厚度薄，而且额定电流非常大。
绕线型磁屏蔽结构
LQH3NP_G0的尺寸为3.0×3.0×0.9mm，厚度低于1mm，其外部结构如图1所示。

图1 ： LQH3NP_G0系列芯片外观图

目前市场上大多数功率电感主要采用铁氧体盖包裹达到磁屏蔽的效果，而LQH3NP_G0系列采用了磁屏蔽结构，它的绕线部分采用磁性粉末和树脂涂覆。结构上要简单的多。因此也最大限度的使用了绕线空间，从而通过其紧凑的设计实现小尺寸和低厚度。

图3：额定电流定义的图形表示方法

绕线电感额定电流的定义方法有两种:一种是直流偏置特性，即电感值随电流的变化特性；另外一种是温升特性，即主要由绕线直流电阻导致的热量产生。LQH3NP_G0系列的直流偏置特性和温升特性通过优化结构和磁屏蔽的设计规格有明显提高。另外，LQH3NP_G0系列设计的时候很好的结合了两种特性值，从而能够提供更高的额定电流。图3显示了额定电流得以改善的图形，图4和图5分别显示了直流偏置特性和温升特性。

图4：LQH3NP_G0系列芯片的直流偏置特性

图5：LQH3NP_G0系列芯片的温升特性

如图所示，在1.0uH的电感值上能够通过1.5A的大电流。同时此系列的电感值范围从1uH到250uH，从而能让工程师选择最合适的电感值来满足电源管理IC的特殊应用。

图6：利用 LQH3N3N220N功率电感的转换效率的比较

图6显示了在DC/DC转换电路中使用22uH的功率电感LQH3N3N220N时的转换效率。在评估中我们采用了1MHz转换频率的DC/DC升压评估电路(参考图7)，同时测量了另一个公司的铁氧体磁屏蔽盖结构，尺寸为4.0?4.0?1.2mm的功率电感。

图7：利用 LQH3N3N220N功率电感的升压评估电路

比较测试结果说明：虽然LQH3NP_G0系列的体积只有磁屏蔽盖结构的一半，但LQH3NP_G0系列可以提供一样的电压转换效率。因此，这个系列在移动设备中具有很强的优势。
叠层型功率电感特性
在越来越高的转换频率下，叠层型功率电感也必须有多种电感值以供选择，这也已成为行业关注的焦点。和绕线型功率电感相比，叠层型功率电感在减小元件尺寸和厚度方面更加容易。然而，为了实现大的电流，其面临着提供低直流电阻和改善直流偏置特性的难题。
村田在多年的叠层技术的基础上，采用一种新的内部电极形成技术，使得LQM2HP_J0系列的低直流电阻成为可能。然而，直流偏置特性的改善对叠层型功率电感一直是一种挑战。村田独创的铁氧体材料技术和结构设计方法使直流偏置特性改善成为可能，即使是流过电感的直流电流增加，也能阻止电感值的直线下降。

图8：LQM2HP_J0系列功率电感的直流偏置特性

图8描述了直流偏置特性。LQM2HP_J0系列功率电感的尺寸是2.5?2.0?1.1mm，但是在1uH的情况下可以通过1.5A的大电流。图9描述了在一个实际使用2.2uH的DC/DC转换器模型中安装了LQM2HPN2R2后电压转换效率。

图9：利用 LQM2HPN2R2的转换器的电压转换效率比较

作为比较，这个图形还显示了另外一个制造商3.0?3.0?1.0mm尺寸绕线型功率电感的测试结果。在评估电路中，我们使用了3.0MHz转换频率的DC/DC降压转换电路。
比较测试结果证明虽然LQM2HP_J0系列比其它制造商的绕线功率电感尺寸小，但是它可以提供接近90%的电压转换效率，与同类的其它产品相同或更高。这个证明LQM2HP_J0系列是一种非常适合移动设备元件的小型化的产品。
除上述述两大系列产品外，村田公司还推出了很多小尺寸和超薄的产品线系列包括LQH2MC_52系列绕线电感和LQM31P_C0，LQM21P_C0系列叠层电感，支持市场对小尺寸大电流功率电感的需求。 (end)

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