滤波电路工作原理

　　当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。

　　在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。

　　另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近π，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。

　　开关电源滤波电感计算与选择

　　本文将阐明为非隔离式开关电源(SMPS)选用电感的基本要点。所举实例适合超薄型表面贴装设计的应用，像电压调节模块(VRM)和负载点(POL)型电源，但不包括基于更大底板的系统。

　　图1所示为一个降压拓扑结构电源的架构，该构架广泛应用于输出电压小于输入电压的系统。在典型的降压拓扑结构电路中，当开关(Q1)闭合时，电流开始通过这个开关流向输出端，并以某一速率稳步增大，增加速率取决于电路电感。根据楞次定律，di=E*dt/L，流过电感的电流所发生的变化量等于电压乘以时间变化量，再除以这个电感值。由于流过负载电阻RL的电流稳定增加，输出电压成正比增大。

　　在达到预定的电压或电流限值时，控制集成电路将开关断开，从而使电感周围的磁场衰减，并使偏置二极管D1正向导通，从而继续向输出电路供给电流，直至开关再度接通。这一循环反复进行，而开关的次数由控制集成电路来确定，并将输出电压调控在要求的电压值上。图2所示为在若干个开关循环周期内，流过电感和其它降压拓扑电路元件上的电压和电流波形。

　　电感值对于在开关断开期间保持流向负载的电流很关键。所以必须算出保持降压变换器输出电流所必需的最小电感值，以确保在输出电压和输入电流处于最差条件下，仍能够为负载供应足够的电流。为确定最小的电感值，需要知道如下信息：

　　·输入电压范围

　　·输出电压及其规定范围

　　·工作频率(开关频率)

　　·电感纹波电流

　　·运行模式;连续运行模式还是非连续运行模式

　　下列公式用于计算降压变换器所需的电感值：

　　L1 = Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)

　　连续运行模式下：dI 《 1/2I

　　为了算出适用于电源整个运行条件的最小电感值，对参数值的选择必须能够保证在各项参数处于最不利组合的条件下，所选择的这一电感值仍能将纹波电流保持在特定的数值范围内。而针对降压型电源，其最不利组合条件为：输入电压和频率均处于各自的最低数值时。此外，还要将输出电压也取为其最小规定值，以确定能够保持正常调节功能所需的最低电感值。设计者可以按照自己所习惯的方式，对这些数值进行控制，以达到最差条件成立的状态。

　　按照表1中所列出的数据，最小电感值计算如下：

　　L1(min) = Vo(min)(1-Vo(min)/(Vin(min)-Von))/(f(min)*dI)

　　L1(min) = 4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693，000Hz * 0.5A)

　　L1(min) = 10.6uh

　　因此，在这一具体应用中，电感的电感值至少为10.6 μh，而其电流额定值也要在最低的20安培的工作电流之上，并保持足够的安全系数。而如果选择一个电感值低于此最小值的电感，就将导致降压变换器可能无法在最大电流下将其输出电压保持在规定范围内。

　　将电感值确定以后，实际电感的设计必须符合相关电气标准、系统尺寸和安装方式等限制。许多磁性元件供应商均提供各种型号的标准产品，可满足绝大多数的设计标准要求。

　　但是，在设计中采用现货供应的标准产品，有可能导致电感的性能和尺寸方面有所不足，并可能最终对产品的销售造成不利影响。而幸运的是，包括泰科电子CoEv 磁性组件部在内的一些供应商，能够提供必要的定制工程设计支持， 以满足将特定电感值、电气性能和外形限制要求结合在一款完全成熟的产品上，促进设计的最优化。充分利用了业界的专业技术，从而最大程度地缩短了设计和测试的时间，加速产品的上市。

　　滤波电路中电感的作用

　　一.电感的作用

　　基本作用：滤波、振荡、延迟、陷波等

　　形象说法：“通直流，阻交流”

　　细化解说：在电子线路中，电感线圈对交流有限流作用，它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;变压器可以进行交流耦合、变压、变流和阻抗变换等。

　　由感抗XL=2πfL 知电感L越大，频率f越高，感抗就越大。该电感器两端电压的大小与电感L成正比，还与电流变化速度i/t 成正比，这关系也可用下式表示：

　　电感线圈也是一个储能元件，它以磁的形式储存电能，储存的电能大小可用下式表示：WL=1/2 Li2 。

　　可见，线圈电感量越大，流过越大，储存的电能也就越多。

　　电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。我们已经知道，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(如图)，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。

　　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。

　　LC滤波电路

　　在线路板电源部分的电感一般是由线径非常粗的漆包线环绕在涂有各种颜色的圆形磁芯上。而且附近一般有几个高大的滤波铝电解电容，这二者组成的就是上述的 LC滤波电路。另外，线路板还大量采用“蛇行线+贴片钽电容”来组成LC电路，因为蛇行线在电路板上来回折行，也可以看作一个小电感。

　　二、电感的主要特性参数

　　2.1 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。

　　2.2 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

　　2.3 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。采用磁芯线圈，多股粗线圈均可提高线圈的Q值。

　　2.4 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。采用分段绕法可减少分布电容。

　　2.5 允许误差：电感量实际值与标称之差除以标称值所得的百分数。

　　2.6 标称电流：指线圈允许通过的电流大小，通常用字母A、B、C、D、E分别表示，标称电流值为50mA 、150mA 、300mA 、700mA 、1600mA 。

　　三、常用电感线圈

　　3.1 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。

　　3.2 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

　　3.3 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。

　　3.4 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。

　　3.5 色码电感线圈

　　是一种高频电感线圈，它是在磁芯上绕上一些漆包线后再用环氧树脂或塑料封装而成。它的工作频率为10KHz至200MHz，电感量一般在0.1uH到3300uH之间。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。其单位为uH。

　　3.6 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。

　　3.7 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。

　　四、电感的型号、规格及命名。

　　国内外有众多的电感生产厂家，其中名牌厂家有SAMUNG、PHI、TDK、AVX、VISHAY、NEC、KEMET、ROHM等。

　　5.1 片状电感

　　电感量：10NH～1MH

　　材料：铁氧体绕线型 陶瓷叠层

　　精度： J=±5% K=±10% M=±20%

　　尺寸： 0402 0603 0805 1008 1206 1210 1812 1008=2.5mm*2.0mm 1210=3.2mm*2.5mm

　　个别示意图：贴片绕线电感 贴片叠层电感

　　5.2 功率电感

　　电感量：1NH～20MH

　　带屏蔽、不带屏蔽

　　尺寸：SMD43、SMD54、SMD73、SMD75、SMD104、SMD105;RH73/RH74/RH104R/RH105R/RH124;CD43/54/73/75/104/105;

　　个别示意图：贴片功率电感 屏蔽式功率电感

　　5.3 片状磁珠

　　种类：CBG(普通型)阻抗：5Ω～3KΩ

　　CBH(大电流)阻抗：30Ω～120Ω

　　CBY(尖峰型)阻抗：5Ω～2KΩ

　　个别示意图：贴片磁珠 贴片大电流磁珠

　　规格：0402/0603/0805/1206/1210/1806(贴片磁珠)

　　规格：SMB302520/SMB403025/SMB853025(贴片大电流磁珠)

　　5.4 插件磁珠

　　规格：RH3.5

　　5.5 色环电感

　　电感量：0.1uH～22MH

　　尺寸：0204、0307、0410、0512

　　豆形电感：0.1uH～22MH

　　尺寸：0405、0606、0607、0909、0910

　　精度：J=±5% K=±10% M=±20%

　　精度：J=±5% K=±10% M=±20%

　　插件的色环电感读法：同色环电阻的标示

　　5.6 立式电感

　　电感量：0.1uH～3MH

　　规格：PK0455/PK0608/PK0810/PK0912

　　5.7轴向滤波电感

　　规格：LGC0410/LGC0513/LGC0616/LGC1019

　　电感量：0.1uH-10mH。

　　额定电流：65mA~10A。

　　Q值高，价位一般较低，自谐振频率高。

　　5.8 磁环电感

　　规格：TC3026/TC3726/TC4426/TC5026

　　尺寸(单位mm)：3.25~15.88

　　5.9 空气芯电感

　　空气芯电感为了取得较大的电感值，往往要用较多的漆包线绕成，而为了减少电感本身的线路电阻对直流电流的影响，要采用线径较粗的漆包线。但在一些体积较少的产品中，采用很重很大的空气芯电感不太现实，不但增加成本，而且限制了产品的体积。为了提高电感值而保持较轻的重量，我们可以在空气芯电感中插入磁心、铁心，提高电感的自感能力，借此提高电感值。目前，在计算机中，绝大部分是磁心电感。

　　五、常见的磁芯磁环

　　铁粉芯系列

　　材质有：-2材(红/透明)、-8材(黄/红)、-18材(绿/红)、-26材(黄/白)、-28材(灰/绿)、-33材(灰/黄)、-38材(灰/ 黑)、-40材(绿/黄)、-45材(黑色)、-52材(绿/蓝);尺寸：外径大小从30到400D(注解：外径从7.8mm到102mm)。

　　铁硅铝系列

　　主要u值有：60、75、90、125;尺寸：外径大小从3.5mm到77.8mm。

　　两种产品的规格除了主要的环形外，另有E形，棒形等，还可以根据客户提供的各项参数定做。它们广泛应用于计算机主机板，计算机电源，电源供应器，手机充电器，灯饰变压调光器，不间断电源(UPS)，各种家用电器控制板等。

　　六、电感在使用过程中要注意的事项

　　8.1电感使用的场合

　　潮湿与干燥、环境温度的高低、高频或低频环境、要让电感表现的是感性，还是阻抗特性等，都要注意。

　　8.2电感的频率特性

　　在低频时，电感一般呈现电感特性，既只起蓄能，滤高频的特性。

　　但在高频时，它的阻抗特性表现的很明显。有耗能发热，感性效应降低等现象。不同的电感的高频特性都不一样。

　　下面就铁氧体材料的电感加以解说：

　　铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金，这种材料具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用，因为在低频时他们主要程电感特性，使得线上的损耗很小。在高频情况下，他们主要呈电抗特性比并且随频率改变。实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。实际上，铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由他的电阻特性决定的。

　　8.3 电感设计要承受的最大电流，及相应的发热情况。

　　8.4 使用磁环时，对照上面的磁环部分，找出对应的L值，对应材料的使用范围。

　　8.5注意导线(漆包线、纱包或裸导线)，常用的漆包线。要找出最适合的线经。