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2.1.3 电感

当线圈通过电流后,在线圈中会形成磁场感应,感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流,这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗,也就是电感。利用此性质制成的电感元件叫电感器,简称电感。

手机中的电感主要应用在电源管理电路和升压电路中,在射频处理器电路、音频处理器电路中也有应用。手机中的电感主要是贴片电感,也称为片式电感器。

1.电感的外形结构

电感是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件,是智能手机中常用的元件之一。

在手机中,电感的外形特征不同,差别也较大,手机中的电感一般有两个引脚,贴片电感没有正负极性之分,可以互换使用。

(1)绕线电感

绕线电感是用漆包线绕在骨架上做成的,根据不同的骨架材料、不同的匝数而有不同的电感量及Q值。它有4种外形,如图2-24所示。

塑封绕线电感内部有骨架绕线,外部有磁性材料屏蔽,经塑料模压封装而成,其主要应用在手机低频电路。塑封绕线电感的主要外部特征是:外部有塑封黑色材料,内部用线圈绕制而成,两端有引线。

图2-24 绕线电感的外形结构

陶瓷(铁氧体)骨架绕线电感是用长方形骨架绕线而成(骨架有陶瓷骨架或铁氧体骨架)的电感。陶瓷(铁氧体)骨架绕线电感在低频和高频电路中都有应用,主要特征是外部或侧面能看到绕制的线圈,两端无引线。

功率电感是由方形或圆形工字形铁氧体为骨架,采用不同直径的漆包线绕制而成。主要用于电源、DC/DC电路中,用做储能器件或大电流LC滤波器件(降低噪声电压输出)。功率电感的主要外形特征是:线圈绕在一个圆形的或方形的磁芯上,屏蔽式电感的颜色一般为黑色,是铁氧体磁芯的颜色,从外部看不到线圈。有些大功率贴片电感是非屏蔽式,从侧面可以看到线圈。

一体成型电感是由数控自动绕线机绕制好的空心线圈,一体成型电感需要外接电极并植入特定的模具,填入磁性粉末,高压压制成型,高温固化后加上防氧化涂层而成的一体化结构的电感器。在高频和高温环境下仍然保持优良的温升电流及饱和电流特性。主要应用在电源、CPU电路等低电压、大电流的环境中,目前在高端手机中应用较多,是功率电感的替代产品。

(2)叠层电感

顾名思义,“叠层电感”就是说有很多层叠在一起,这些“层”一般是铁氧体层或者陶瓷层。叠层电感是用磁性材料采用多层生产技术制成的无绕线电感。它采用铁氧体膏浆(或陶瓷层)及导电膏浆交替层叠并采用烧结工艺形成整体单片结构,有封闭的磁回路,所以有磁屏蔽作用。叠层电感具有高的可靠性,由于有良好的磁屏蔽,又无电感器之间的交叉耦合,所以可实现高密度安装。

铁氧体叠层电感和陶瓷叠层电感在外形上无太大区别,主要应用于电源管理电路。常见的叠层电感如图2-25所示。

图2-25 叠层电感

(3)薄膜电感

薄膜电感是在陶瓷基片上用精密薄膜采用多层工艺技术制成,具有高精度且寄生电容极小等特点,如图2-26所示。

图2-26 薄膜电感

薄膜电感主要应用在手机射频处理器电路中,贴片电感的主要外形特征是两端银白色是焊点,中间白色,一端有色点,部分中间是绿色,部分中间是蓝色,它们的外形类似电容,但仔细观察还是有明显的区别。

(4)印刷电感(微带线)

手机中的印刷电感(微带线),它不是一个独立的元件,而是在制作电路板时,利用高频信号的特性,运用弯曲的导线(铜箔)之间的距离形成一个电感或互感耦合器,起到滤波、耦合的作用。

印刷电感(微带线)一般有两个方面的作用:一是它能有效地传输高频信号;二是与其他固体器件,如电感、电容等构成一个匹配网络,使信号输出端与负载很好地匹配。印刷电感如图2-27所示。

图2-27 印刷电感

2.电感的电路符号

在电路原理图中,电感符号是一个用导线绕成的线圈,注意与电阻符号的区别。图2-28是手机电路图中常见电感的电路符号。

图2-28 电感的电路符号

3.电感的工作原理与特性

(1)电感的工作原理

当一根导线中有恒定电流流过时,总会在导线四周激起恒定的磁场,当把这根导线弯曲成为螺旋线圈时,根据电磁感应定律,就能断定螺旋线圈中发生了磁场。将这个螺旋线圈放在某个电流回路中,当这个回路中的直流电变化时(如从小到大或许相反),电感中的磁场也会发生变化,变化的磁场会带来变化的“新电流”,由电磁感应定律可知,这个“新电流”一定和原来的直流电方向相反,从而在短时间内对直流电的变化构成一定的抵抗力。只是一旦变化完成,电流稳定起来,磁场也不再变化,便不再有任何障碍发生。电生磁、磁生电,两者相辅相成。

如果觉得上面一段描绘十分难懂、拗口,不妨从另一个角度来说明。假定有一条人工渠,渠边有一个大大的水车,水车很重,需要较大流量的渠水才能推进它。首先,渠道中没有水的时候,水车是不会转动的。接下来开启闸门放水,在放水最开始的时候,水流会从小到大,那么水车是怎样变化的呢?

水车会随着水的到来而快速旋转和水同步?显然不是,由于惯性和阻力的存在,水车会迟缓地开始转动,过一段时间后才会和水流构成稳定的均衡。在水车“起步”、开始迟缓转动的进程中,实际上也是水车在阻拦水流向前,抵抗水流变化的进程。在水流流动、水车转速稳固后,水和水车构成一种调和共生的关系,就互不干预了。

那么假如关掉闸门呢?关掉闸门后,水会逐步减少,流速也会下降。在水的流速下降的时候,水车并不能快速和水流建立新的均衡,它还会依据之前的速率持续旋转一段时间,并带动水流在一定时间内维持之前的速率,接着水车会随着水流速度降低、水流减少而渐渐中止转动。恰似电感电路中电流的变化,使得电感就像是电路中的一个“整理、梳理者”。

(2)电感的特性

①电感的“通直隔交”特性

从上面的过程来看,完全可以将电感器的作用和水车等同起来,它们的核心作用都是阻止电流(水流)的变化。比如电流由小到大,水流由大到小的过程中,无论是电感器还是水车都存在一种“滞后”作用,它们能在一定时间内抵御这种变化。从另一个角度来说,正因为电感和水车拥有储存一定能量(惯性)的作用,它们才能在变化来临时试图维持原状,但需要说明的是,当能量耗尽后,则只能随波逐流了。

说到这里,电感的作用就非常清晰了—那就是“通直流,阻交流”。为什么这样说呢?如果以水车作为例子的话,直流就是恒定的一个方向的水流,水车虽然在水流开闸后的一小段时间内对水流有阻止,但一旦水车和水流达到平衡,则无论是水车还是水流都会按照规律运动,不再会有阻止发生,这就是“通直流”。作为“阻交流”,试想,如果渠道中的水流一会儿向左、一会儿向右,水车在其中也无法正常转动,最后的结果是水渠无法形成正常的运转,这就是电感的“阻交流”作用。

在直流电路中,当电感中通过直流电时,由于电感本身电阻很小,几乎可以忽略不计,因此电感对直流电相当于短路。

在交流电路中,由于电压、电流随时间变化,电感元件中的磁场不断变化,引起感应电动势,电感对交流电起着阻碍的作用,阻碍交流电的是电感的感抗,感抗远大于电感器的直流电阻,所以电感有通直流阻交流的特性,这和电容通交流阻直流的特性正好相反。

②电感的感抗特性

交流电也可以通过线圈,但是线圈的电感对交流电有阻碍作用,这个阻碍叫作感抗。交流电越难以通过线圈,说明电感量越大,电感的阻碍作用就越大;交流电的频率高,也难以通过线圈,电感的阻碍作用也大。实验证明,感抗和电感成正比,和频率也成正比。

当交流电通过电感线圈的电路时,电路中会产生自感电动势,阻碍电流的改变,形成了感抗。自感系数越大则自感电动势也越大,感抗也就越大。如果交流电频率大则电流的变化率也大,那么自感电动势也必然大,所以感抗也随交流电的频率增大而增大。交流电中的感抗和交流电的频率、电感线圈的自感系数成正比。在实际应用中,电感起着“阻交、通直”的作用,因而在交流电路中常应用感抗的特性来通低频及直流电,阻止高频交流电。

4.电感的单位及标注方法

(1)电感的单位

电感量也称自感系数,是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。电感器电感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等。通常,线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心导磁率越大的线圈,电感量也越大。

电感量的基本单位是亨利(简称亨),用字母H表示。常用的单位还有毫亨(mH)、微亨(μH)、纳亨(nH)和皮亨(pH),由于H太大,通常用毫亨(mH)和微亨(μH)表示。

其换算关系是:1H(亨)=1000mH(毫亨),1mH(毫亨)=1000μH(微亨),1μH(微亨)=1000nH(纳亨),1nH(纳亨)=1000pH(皮亨)。

(2)电感量的标注方法

贴片电感采用以下三种标注方法:

电感的标识方法如图2-29所示。

图2-29 电感的标识方法

5.电感在电路中的作用

电感在手机电路中主要有滤波、振荡、抗干扰、升压等作用,一般要和其他元件配合使用。

(1)滤波电感

电感在电路中最常见的作用就是与电容一起,组成LC滤波电路。电容具有“阻直流,通交流”的本领,而电感则有“通直流,阻交流”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路,那么,交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉;变得比较纯净的直流电流通过电感时,其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能,频率较高的最容易被电感阻抗,这就可以抑制较高频率的干扰信号了。

(2)振荡电感

整流是把交流电变成直流电的过程,那么振荡就是把直流电变成交流电的过程,我们把完成这一过程的电路叫作振荡电路。

振荡电感主要是用于高频电路,与电容及三极管或集成电路组成一个谐振回路,即电路的固有振荡频率 f 0 与非交流信号的频率 f 相等,起到一个选频的作用,谐振时电路的感抗与容抗等值又反向,回路总电流的感抗最小,电流量最大(指 f = f 0 的交流信号),LC(电感、电容)谐振电路具有选择频率的作用,能将某一频率 f 的交流信号选择出来或直接通过电路振荡,将一个低频信号与振荡信号互相调制信号,然后通过高频放大器将调制的信号发射出去。

(3)抗干扰电感

抗干扰电感主要是抑制电磁波干扰,主要应用于电源电路及信号处理,如磁环电感、共模电感等。

在声音信号输出电路输入处接入共模电感或磁环电感后再接听筒或扬声器,磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性。在低频时阻抗很小,当信号频率升高后磁环的阻抗急剧变大。信号频率越高,越容易辐射出去,有的信号线是没有屏蔽层的,这些信号线就成了很好的天线,接收周围环境中各种杂乱的高频信号,而这些信号叠加在传输的信号上,就会改变传输的有用信号,严重干扰手机的正常工作。在磁环作用下,既能使正常有用的信号顺利地通过,又能很好地抑制高频干扰信号,而且成本低廉。

(4)升压电感

升压电感主要应用在使用电感的DC/DC(就是指直流转直流电源)升压电路中,在升压电路中,升压电感是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件,当MOS(绝缘栅型场效应管)开关管闭合后,电感将电能转换为磁场能储存起来,当MOS断开后电感将储存的磁场能转换为电场能,且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压给负载,由于这个电压是输入电源电压和电感的磁场能转换为电能叠加后形成的,所以输出的电压高于输入电压,即升压过程的完成。 FkmbRvcT3i8d36iann/1nYqrEqKwrnAbH40aR2ErVjOzOjxDJMRZyAAlQ53XhBBb

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