电感底部敷铜,利弊如何?电路中有呲呲噪声,多半是电感问题

百科   2024-11-27 10:30   北京  
一、了解电感的构造
常用电感有非屏蔽工字型电感、半屏蔽电感、一体成型电感,它们有什么特点呢?
1.非屏蔽工字电感
磁路结构:非屏蔽工字电感的磁路由磁芯和空气共同构成,其磁感线完全暴露在空气中,没有任何磁屏蔽。这意味着它的磁场容易向外扩散,可能对周围电路产生干扰。实验现象:在实验中,当非屏蔽工字电感底部铺设铜皮时,电感量显著减小。这是由于外部磁场与铜皮相互作用,产生了涡流效应,导致电感量减少。
2.半屏蔽电感
磁路结构:半屏蔽电感在工字电感的基础上增加了磁屏蔽材料。由于磁屏蔽材料的磁阻小,磁感线大部分被锁定在导磁材料中,只有少量磁场会从气隙中泄露出来,起到部分屏蔽的作用。
屏蔽效果:相比非屏蔽电感,半屏蔽电感减少了外部磁场的泄露,但仍可能受到外部磁场的部分影响,具体取决于设计和应用环境。
3.一体成型电感
磁路结构:一体成型电感在生产过程中将绕组与导磁材料一次铸造成型,内部仅有很小的气隙,能够有效防止电感饱和。这种结构使得电感的磁感线基本不会溢出,具有极佳的屏蔽效果。
实验现象:在实验中,一体成型电感的电感量在铜皮存在的情况下几乎没有变化,表明其屏蔽结构能够有效防止外部磁场的干扰和涡流效应的影响。

二、电感底部敷铜的利与弊:EMI抑制与电感感量的平衡
电感中交变电流会在地平面上产生涡流,这些涡流会对功率电感的电感量产生影响,增加系统损耗,同时也会产生噪声,影响其他信号的稳定性。然而,从EMC的角度来看,在电感底部铺铜可以有利于EMI的控制,特别是在设计完整的地平面时。然而,随着电感生产工艺的进步,屏蔽型电感逐渐普及。这些电感通过有效的屏蔽设计,减少了磁感线的泄露,降低了对电感量的影响,同时也改善了散热性能。

电感底部敷铜与否对电源有什么影响呢?
当磁感线从N极到S极经过导体表面时,若存在交变磁场,根据电磁感应定律,导体表面会产生感应电流,这种感应电流被称为涡流涡流产生的磁场方向总是与原磁场方向相反,试图削弱原磁场的强度。这一现象不仅影响磁场的强度,还会导致能量损耗。
下面是Boost升压DC/DC电路电流环路,聊聊电感底部敷铜对电源设计的影响。
当Boost升压电路正常工作时,电感中流过的负载电流形成回路。由于开关管的存在,电流呈动态变化,导致电感内部产生磁感线。这些磁感线中,一部分在导体表面形成封闭的磁回路,另一部分则可能形成漏磁,溢出到空气中。

如果电感底部没有敷铜,溢出的磁感线会在整个电源系统中扩散,增加系统内的电磁干扰(EMI),从而降低系统的EMI性能,导致电源系统缺乏相对安静的电磁环境。
如果在电感底部敷设完整的铜层,电感底部会产生涡流效应。涡流会部分抵消漏感产生的磁场,从而减弱原本的漏磁效应。底部敷铜就像一个电磁屏蔽罩,阻挡磁感应线向下传播,有效地将电感产生的高频磁场限制在导体一侧。这大大减少了高频磁场对周围其他元器件的影响,有助于提升系统的电磁兼容性(EMC)。
从两个角度来看:1.EMI角度:为了抑制电磁干扰,建议在电感底部敷铜。铜层的涡流效应能够屏蔽高频磁场,减少对周围电路的影响,有助于提高系统的电磁兼容性(EMC)。2.电感感量角度:对于屏蔽型电感,敷铜对其感量几乎没有影响,因此也建议敷铜。而对于工字型电感,敷铜会对电感量产生一定影响,因此在实际工程中需要根据具体需求进行权衡和选择。

在实际的PCB布局中,通常将开关输出的滤波器放置在与电感相对的PCB平面上,这样可以更有效地避免高频干扰影响滤波元器件,防止高频干扰通过线路传输出去。

三、电路总是有呲呲噪声,多半是电感问题

在电路设计与制造中,我们会遇见五花八门的问题,其中之一是电路板制作好后,总是有呲呲的噪声,很多人认为这肯定是电感出错所致,这个说法是正确的吗?其实,这个说法算是正确的,电感作为电路中的关键元件之一,其特性与状态基本上是此类噪声问题的主要源头,主要原因如下:

1.电感特性与噪声产生。电感器在电路中主要起储能、滤波及阻抗匹配等作用。然而,当电感设计不当(如电感量选择不合适、绕制工艺粗糙)或工作于非理想状态时(如饱和、谐振),易产生电磁干扰,表现为电路中的高频噪声,即“呲呲”声。

2.电流突变与电感噪声。在开关电源、电机驱动等应用中,电流的快速变化会在电感两端产生较高的电压尖峰,这些尖峰若未得到有效抑制,会通过电路中的其他元件(如电容、导线)辐射或传导出去,形成噪声。

3.谐振现象。电感与电路中的其他元件(如电容)可能形成谐振回路,在特定频率下产生强烈的振荡,这种谐振也是“呲呲”噪声的常见来源。

4.磁场干扰。电感在工作时会产生磁场,若电感布局不合理或屏蔽措施不足,其磁场会感染周围电路或设备引发噪声问题。

5.饱和效应。当通过电感的电流超过其额定值时,电感可能进入饱和状态,此时,其电感量急剧下降,导致电流控制失效,产生异常噪声。

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