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电感基础知识_图文

電感基礎&應用

@ 一般電感常識 @ 部分產品圖片展示 @ 電感元件基礎原理 @ 電感基礎應用 @ 電感產業未來展望

@ 一般電感常識

變動的電流會產生磁場,而變動的磁場會感應出電動勢,其線性 關係的參數,我們稱為電感.    理想的電感,不會產生或消耗能量,但藉由電磁的互相轉換,卻擁有儲 存和釋放能量的功能.    根據法拉第定律,我們可以觀察到以下現象:1.)電感的電流不能瞬間改 變,2.)且相位會落後電壓九十度,3.)若電流不變,並不會感生電動勢.  故此,電感可作為穩定電流的元件,亦可作為相位匹配的元件,也可作為 低通的元件;當然,電感的用途,更有多樣的變化,如儲能,放能,諧振,旁 路...等等.    以上所提,均是理想的電感;現實世界,不可能製造出完全理想的電感; 被動元件中,不管是電阻,電容或電感,其所表現的特性,僅是其等效電路中, 某頻譜範圍內,貢獻度較強的項目而已.    輕、薄、短、 小,使我們的世界日趨高頻,加上波長效應,電阻、電 容、電感等元件的角色,變得十分模糊;但在應用上,其所表現出來的特性, 卻是更加清晰;故此,不管是使用者或是製造者,均應對電感作更深一步的了 解,方能站在領導的潮流.

電感

電感基本原理
(a)電生磁、磁生電
一導線通電流後,其附近空 間會產生磁場,該磁場的能量是以 電流為『源』提供;相反,當磁場 建立後,切斷電流源,磁場會將能 量釋放為電流。明顯地,此原理已 作出能量儲存的啟示。(更進一步的 理論,可參考Maxwell方程組的法 拉第定律及安培定律。) 如將導線折成線圈狀, 根據重疊原理可知,線圈內部 磁力會加強,電流源會提 供更多能量以建立磁場。

(b)空心線圈

電感 Size換算
Code(mm) 0603 1005 1608 2012 2520 3216 3225 4516 4532 5750 Dimension(mm) 0.6X0.3 1.0X0.5 1.6X0.8 2.0X1.2 2.5X2.0 3.2X1.6 3.2X2.5 4.5X1.6 4.5X3.2 5.7X5.0 EIA(Inch) 0201 0402 0603 0805 1008 1206 1210 1806 1812 2220

電感單位換算
Inductance(電感值)
1 henry(H)=1000mH 1 millihenry(mH)=1000uH 1 microhenry(uH)=1000nH Ex: X’fmer: mH, uH, Power inductor: uH, Chip inductor: uH, nH

阻抗/電流之單位換算
Impedence
Chip bead Z(Ohms) Common mode choke: Common mode/ Normal (differential) mode Z(Ohms)

DC Resistance
1000 mOhms=1 Ohms 1000 Ohms= 1000 KOhms 1000 KOhms= 1 MOhms

R=V/I R=Resistance 電阻 V=Voltage 電壓 I=Current 電流

IDC, Rated current
1000 mAmps=1Amps

電感值(Bead)識別—日系
1N0=1.0nH 10N=10nH R10=100nH=0.10uH 1R0=1000nH=1.0uH 100=10uH (10 Ohms) 101=100uH (100 Ohms) 102=1000uH=1mH (1000 Ohms) 103=10000uH=10mH

電感值識別—美系
0=Black 5=Green 1=Brown 6=Blue 2=Red 7=Violet 3=Orange 8=Gray 4=Yellow 9=White Examples: Blue, Gray, Red = 6800 nH Red, Red, Brown = 220 nH Yellow, Violet, Black = 47 nH
第一及第二碼表電感值之前兩位數字 第三碼表示10的次方

0603, 0805, 201614

1st

1008, 1206, 252018, 322522
3rd 2nd

電感值公差
Letter S F G H J K M Y T N Tolerance +/-0.3nH +/-1% +/-2% +/-3% +/-5% +/-10% +/-20% +/-25% +/-30% +/-30% Product CLH, Japanese wire wound L Thin film inductor CS/LCN Japanese Ceramic L SQV/NL/LS/CS/LCN/CLH SQC/NLC Non-Shielding Power inductor, CMC EMC bead, CMC Shielding Power inductor Japanese Shielding Power inductor

電感應用頻率
Frequency 1 GHz=1000 MHz 1 MHz=1000 KHz 1 KHz=1000 Hz 產品大項 CLH, CS NL, SQV SCD, SSL 產業 無線通訊產品 電子電路端 RF 線路 Base band 線路

網路通訊產品 IF 線路 電源端產品

SRF: Self Resonant Frequency: 諧振頻率 電感在其SRF時,電感的分佈電容與電感值產生共振,此時電感值與電容值 相等而互相抵銷. 電感的Q值在共振頻率時,Q=0,XL=0,故此時電感出現具高阻抗值的存粹阻 抗性. 電感超過此頻率則失效成電容性產品,故一般訊號用電感會訂SRF min.

電感測試頻率
工業測試頻率是用來量測電感之電感值或品質系數之常用頻率. 測試頻率 1 KHz 100 KHz 0.252MHz 0.796MHz 2.52MHz 7.96MHz 25.2MHz 50MHz 100MHz 250MHz 電感類型 Power inductor/ X’fmer Power inductor/X’fmer Power inductor/Chip inductor Power inductor/Chip inductor Power inductor/Chip inductor Power inductor/Chip inductor Power inductor/Chip inductor Chip inductor/Chip bead RF Chip inductor/Chip bead RF Chip inductor

訊號用電感應用頻率及Q值比較
訊號用電感之應用頻率關係到客戶訊號用電路之適用性,以 下電感之SRF由低到高排序如下:
SQV NL CL LS CS(LCN) CLH

而在相同操作頻率下各類型電感之Q值由低到高也有差異:
Ferrite series: CL NL LS SQV Ceramic series: CLH CS(LCN) HQ

不同頻率產品應用實例:
SQV, NL, CL: xDSL, DSC, LCD TV, Handset IF/BB LS, CS(LCN): xDSL, Cable Modem, STB, CATV, WLAN/Handset IF CS(LCN), CLH: WLAN/Handset RF, BT

同類型電感/Bead耐電流比較
耐電流由小向大排序
RF Ceramic Chip Inductor CLH CS(LCN) HC Ferrite Chip Inductor CL NL SQV Ferrite Power Inductor SQC NLC SCD SCDS SLF SSL SSL_HC Multilayer Chip Bead SB/NB GB PB UPB

奇力新電感分類
電感用途分類: EMC, Signal, Power
EMC: Bead, Bead Array, EMC Data Line filter, Common mode choke, Balun X’fmer, Ni-Zn core,………….. Signal: Chip inductor, Band pass filter, Low pass filter,………… Power: Power inductor, CPU choke, AC Line filter, Power X’fmer, Mn-Zn core,……………

奇力新電感分類

奇力新產線分類—台灣1/2
SMD線圈製造部及CLH部門—湖口
Multilayer series: Bead/Bead Array CL ferrite chip inductor CLH ceramic chip inductor

LCN廠—新豐
SMD Open type wire wound series: CS, LCN, LS, NL, NLC chip inductor CMM common mode choke

奇力新產線分類—台灣2/2
鐵芯粉末廠—斗六
Mn-Zn, Ni-Zn powder

鐵粉芯—湖口
錳鋅T core及鎳鋅 DR, RH, RID, T core等

奇力新產線分類—大陸
Choke coil—東莞清溪
Molding type NL/NLC SMD power inductor Dip Choke coil Dip Line filter Dip Balun coils Multilayer 後段測包

Multilayer 後段測包—蘇州廠

@ 部分產品圖片展示

EMI 濾波器

鐵蕊線圈

磁珠

SMD 晶片阻抗器 SB,NB,PB4532,3216,2012,1608,1005 等 所有尺寸

CL 積層印刷式電感
一般SMD電感用途

NL 撓線式電感
數位相機約使用4至9顆

LCN 高頻撓線式 陶瓷電感

CLH 高頻積層印刷式 陶瓷電感

多使用於通訊產品,如手機、 無線耳機、衛星接收、PDA.. 等

使用於通訊產品,如手機、bluetooth、 PDA ..等

STD SCDS SDT SSL SCD (鎳鋅產品) (鎳鋅產品) (錳鋅產品) (錳鋅產品) (鎳鋅產品) SMD POWER INDUCTOR多使用於ADSL,CABLE MODEM,集線 器,NOTE BOOK,AC-DC電源轉換,DC-DC電源轉換…..等等.是奇力新電 感最具市場開發潛力的熱門產品.

SMD SERIES

Ni-Zn SERIES

COIL SERIES

Mn-Zn SERIES

SMD TRANSFORMER SERIES (1)

SMD TRANSFORMER SERIES (2)

@ 電感元件基礎原理

電感基本應用原理
交流的電流會產生磁場,而變動的磁場會感應出電流,其線性關係的 比例,我們稱為電感。 但電感經由電磁的互相轉換,擁有儲存和釋放能量的功能。理想的電 感,不會產生或消耗能量。 故此,電感可作為穩定電流的元件,亦可作為相位匹配的元件;當然, 電感的用途,更有多樣的變化,如濾波,儲能,放能,諧振,旁路 … 等等。 以上所提,均是理想的電感;但現實世界,不可能製造出完全理想的 電感;被動元件中,不管是電阻,電容或電感,其所表現的特性,僅 是其等效電路中,某一段頻率範圍內,貢獻度較強的項目而已。

電感元件原理
? 電感為儲能元件,以磁場形式儲存能量 ? 空心線圈內插入磁性材料,線圈內部磁場會大為加強 列如:插入Y材(μ值=100),則電感量(Inductance)會增加一 百倍 ;放入HU材(μ值10000),則電感量會增加1萬倍 線圈的電感量(Inductance, L), 會因鐵磁材料(Ferrite)的插 入而增加。 L = μ x Lo, (Permeability) 其中Lo為空心線圈電感量, μ為導磁率

Ferrite, μ

電感元件原理----電感值計算

電感元件原理----電感等效電路(1)

電感元件原理----電感等效電路(2)

電感元件原理----低通濾波

電感元件規格

一.電感值(L):
一被動元件,其作用在抑制電流的變化,電感亦常被稱為“交流電 阻”,其抑制電流變化的功能及經磁場儲存能量的能力為電感最有用的特性, 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反方向感應 一電壓,這種抑制電流變化的特性被稱為電感值.影響電感值主要有以下因 素:鐵芯的材質,鐵芯的尺寸與形狀,繞線的圈數及線圈的形狀,溫度,不同 的測試頻率與電壓等.以下為電感單位的換算關系: 1H=1000mH 1mH=1000uH 1uH=1000nH

二.品質系數(Q):
電感的品質系數是量測一電感相對損失指標,這Q值被稱為“品質 系數”,它的定議為感抗(Xl)對有效電阻(Re)之比,即儲存能量與消耗率之 間的關系量.

三.直流電阻(DCR):
電感線圈在非交流電下量得之電阻,在電感設計中,直流電阻愈 小愈好,其量測單位為歐姆,通常以最大值為標注.以下為電阻單位的換算 關系: 1KΩ=1000Ω=1000000mΩ

四.共振頻率(SRF):
指一電感,在此頻率下其分布電容值與電感值產生共振,此時電 感的感值與電容值相等而相互抵消掉,電感在自我共振頻率顯現出具高阻 抗值的純粹阻抗性,分布電容是由於所繞的線圈相互重疊及於鐵芯周圍所 產生,此電容是平行於電感,當頻率高於諧振頻率時,此平行結合之容抗會 主導元件的特性,且在產品的資料表內以最小值登錄.

五.阻抗值(Z):
一電感的阻抗值是指其在電流下所有的阻抗的總和,包含了交 流及直流的部分,直流部分的阻抗僅僅是繞線的直流電阻,交流部分的 電阻值則包括電感的電抗,下列的方程式用來計算一理想電感(沒有能 量損失)在一正弦波交流訊號下的電抗: Z=Xl=2πfl

六.飽和電流(IDC):
指流經一電感而使其電感值比0直流偏壓時之原電感值下跌一特 定量的直流偏壓電流,通常定議的電感值下降百分比有10%及20%,在儲存 能量的應用中,對鐵氧體鐵芯使用的10%的電感下降值及對粉狀鐵芯使用 20%的電感值是有用處的,因此直流偏壓電流而致電感值下降的因素與鐵 芯的磁性有關,鐵芯及其周圍的一些空間指可以儲存一定量之磁通密度, 超過此磁通密度,鐵芯的導磁率會降低,,因此電感值會因而下降,鐵芯的 飽和並不適用於“無鐵芯”的電感.以下為電流單位的換算關系: 1A=1000mA

電感元件電氣特性需求----L

vs.頻率

電感元件電氣特性需求----品質因素.Q(1)

電感元件電氣特性需求----品質因素.Q(2)

品質因子(Q)可以下式表示之: Q=2πfL(1-2πfLCp)2/Rs L:有效電感值 Cp:寄生電容 f:頻率 Rs:含肌膚效應之電阻值

由上式可知,要提高品質因子可由降低寄生電容及肌膚效應著手。

電感元件電氣特性需求----IDC.

Irms&Rdc

電感元件電氣特性需求--- -Z

vs.頻率

? 只以阻抗頻譜, Z(Ω) vs. F, 為選用準則
Z = R
2

+

X

2

(Q = X/R)

高頻訊號用磁珠

低頻訊號用磁珠

R/C/L基本應用
R—電阻在電子線路中功用為消耗能量,從而符合線路中所需的電壓
及電流.

C—電容 在線路中之功能為儲存能量,經過其充電及放電之過程對整
個線路中之電壓進行調整與補充,此為電容的基本應用.

L—電感本身在線路中的應用則不同於被動元件中的電阻與電容,電
感以磁場的形式儲存能量,對線路中之電容及電阻進行匹配,故電感對線 路中電壓之昇高與降低並無任何影響,而僅是對電流會有相應的影響,此 為電感本身之固有特性.

電感用途—1/4
諧振(Resonance)
  諧振電路在通信系統中用途極廣,主要用途為自眾多的頻率信號 中,選取需要的信號,而排拒其他信號。電子系統中之調諧電路 (turned circuits)即為諧振應用典型之例子。其主要由電感與電容並聯 組成,在接收系統中,用以選取信號,並排拒不需要的信號;在發射 系統中,則用以產生特定頻率信號。

電感用途—2/4
濾波(Filtering)
濾波是一種可以使某一特定頻率範圍的信號通過或截止功 能之線路。濾波電路之形式,若以其濾波特性分類,可分為低 通(low pass)、高通(high pass)、帶通(band pass)及帶拒 (band reject)等四種線路。濾波電路都以儲能元件,如電感 及電容等組合而成。一個基本的濾波電路、所包含之儲能元件, 數量可自一個、二個以至三個不等。由於元件數目不同,濾波 特性之頻率響應亦不同。 單獨利用晶片電感其阻抗隨頻率變化之特性,亦可 用於抑制高頻電磁雜訊,此類用於防治電磁波干擾之產品常被 稱為晶片磁珠(chip ferrite beads)。

由上圖可知其阻抗隨頻率增加而增加,在低頻時其阻抗極低,可使 低頻之訊號通過而沒有損失, 而在高頻時具有較高阻抗,可有效抑制信號所產生之高次電磁諧波 (harmonic wave)。此類產品大多使用於電腦系統I/O介面處,可有 效地過濾信號線中100-300MHZ頻帶之雜訊。

電感用途—3/4
阻抗匹配(Impedance match)
在設計高頻電路時,為使信號源與負載之間,達到最大之功率 傳輸,阻抗匹配為一種必備的設計技術。信號在行徑之路徑上倘若有 阻抗不匹配時,就會發生反射(reflection)現象,造成電磁干擾或信號失 真之問題。在求取最大功率傳輸時,除了在傳送與接收端的電阻相等 外,兩者的電抗必須成為共軛,亦即互為電感與電容之對應者,使能 互相抵銷,成為純電阻之電路。故常以電感與電容組合成L型阻抗匹配 網路。因負載端電抗常為電容性,故線路中常外加一個電感,使之在 信號頻率時產生諧振,電抗值可互相抵銷,達到阻抗匹配之目的。L1L8即為高頻晶片電感用於蜂巢式(cellular)無線手機發射端中當作阻抗 匹配的例子。

電感用途—4/4
抗流(Choke)
抗流線圈(choke coil),主要用於電源電路中濾除漣波(ripple) ; 射頻抗流圈(RF choke)則被用於阻絕電路中之高頻信號。

@ 電感基礎應用

電腦主機板(MOTHER BOARD) SB、PB、NB、CL、TOROID COIL、RH BEAD 監視器(MONITOR) SB、PB、NB、SA(排感)、CL、PC、AL、SL、TF、TD、EMI CORE (RH、RICORE)、TOROID COIL、RH BEAD 聲霸卡(SOUND BLASTER CARD) SB、PB、NB 影像卡(VGA CARD) SB、PB、NB、NL 電腦連接線及聯結器(CABLE & CONNECTOR FOR PC) CORE) EMI CORE (RH、RI

切換式電源供應器(SPS)(SWITCHING POWER SUPPLY) TRANSFORMER(除 規格品外,視客戶要求設計亦可)、EE、EI、IRON CORE、TOROID CORE、TC COIL 、 SL TYPE COIL、POWER INDUCTOR、COMMON MODE CHOKE、CHOKE COIL 呼叫器(PAGER)(PAGER) SB、PB、NB、NL SB、PB、NB、LCN、CLH 多媒體多功能電腦(MONIPUTER)(ALL IN ONE)

電源交直流轉換器(DC TO DC、AC TO DC、DC TO AC CONVERTOR) POWER INDUCTOR、TOROID COIL、SMD TF、NL、CHOKE COIL、COMMON MODE CHOKE

電子省電安定器(ELECTRONIC BALLASTS) TOROID COIL、TRANSFORMER 無線電話及大哥大(WIRELESS & CELLULAR PHONE) SB、PB、NB、LCN、CLH、 NL、CL 硬碟機(HARD DISK DRIVER) SB、PB、NB、CL、NL 電池充電器(BATTERY CHARGER) POWER INDUCTOR、TOROID COIL、SMD TF、NL、CHOKE COIL、COMMON CHOKE 傳真機、網路卡(FAX CARD、NETWORK CARD)(LAN ISDN) SB、PB、NB、CL、 NL、POWER CHOKE、LINE FILTER、TOROID COIL 非對稱數位用戶迴路(ASYMMETRIC DIGITAL SUBSCRIBER LINE)(ADSL數據機) SMD POWER CHOKE、SB、PB、NB、CL、NL 電腦數據機(MODEM) AL、SB、PB、NB、R6H、LINE FILTER 錄放映機、電視、收音機(VTR、TV、RADIO)等消費性產品 AL、SL、RH BEAD、EL、 TRANSFORMER、TOROID COIL 唯讀記憶機(CD-ROM ) SB、PB、NB、CL、NL、AL TOROID COIL、TRANSFORMER 電源轉換器(SWITCHING ADAPTER)

@ 電感產業未來展望

隨著資訊產業的進步,電子產品在小型化、可攜式元 件高密度裝配及降低生產成本之發展趨勢下,表面粘著技 術已快速發展,促使三大被動電子零件,電阻電容、電感 晶片化比率年年提高。其中晶片電感由於構造較複雜、製 程困難度較高,晶片化比率遠較電阻及電容為低。但因其 主要用在 3 C 產業 ( 資訊、通訊及消費性電子產品 ) 上,由於 整個 3 C 產業朝小型化、多功能化及高頻化發展、使市場上 對晶片電感的特性需求有加速朝小型化、高頻化、及多功

能化發展之趨勢,將對國內晶片電感廠商產生不小之衝擊。

一、技術發展狀況 由於行動通訊、筆記型電腦及網路系統之發達,使得系統之 體積越來越小,但功能卻可提昇為原來之數倍;進而使得元件必 須朝輕薄短小發展,甚至單一的元件已無法滿足系統對其之要求, 因而促成複合式元件需求之增加,如L/C濾波器、排感(bead array)、射頻模組(RF module)等 。 晶片電感之發展主要可分為以下幾個方向: 1.高頻化 (1)積層晶片電感已廣泛使用於無線通信設備上,具有尺寸小、 成本低之優點。但其在高頻範圍內之品質因子較低,在某些線路 中(如壓控震盪器模組,VCO)始終無法取代成本較高之繞線式電 感 。由於品質因子(Q)可以下式表示之: Q=2πfL(1-2πfLCp)2/Rs L:有效電感值/F:頻率/Cp:寄生電容/Rs:含肌膚效應之電阻值 由上式可知,要提高品質因子可由降低寄生電容及肌膚效應著手。

2.迷你化: 近年,在無線行動電話持續小型輕量化之驅使下,積層晶片 電感亦不斷往迷你化發展。1999年,0402產品在無線行動電話應 用上,已成為主流產品。不少日系廠商甚至已推出0201之晶片電 感。 3.複合化: 要使元件體積縮小而功能又要提昇,則必須使元件複合化。 複合化技術包括: (1) 使數個電感複合之排感:其利用結合數個電感以減少元 件間間距(pitch),達到減少組裝空間之需求;同時降 低表面黏著時拾取與放置(pick and place)之時間,進 而降低組裝成本。

4. 模組化 單靠元件之複合化,仍無法完全滿足行動通訊產品組 裝空間之要求,需靠模組化之技術才可進行一步節省3040﹪之空間。此項技術主要利用多層陶瓷之技術將電阻、 電容、電感及傳輸線以三度空間之方式整合在一起,甚至 與混成電路( hybrid circuit )技術配合將積體電路 ( IC )及較難以積層化之元件(如高阻值之厚膜阻)結合 在一起,製作積層混成電路模組(圖十一) 。許多日系廠 商已先後推出此類產品,如壓控震盪器(VCO)模組、射頻 接收前端(RF receiver front-end)模組、功率放大器 (power amplifier)等。此項技術為未來元件市場之主流。

THANK YOU!!