电感必备基础知识演示幻灯片.ppt

【电感的基础】1【第1讲】电感概要2【导读】电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的被动电子元件。通常为导线卷绕的样子，当有电流通过时，会从电流流过方向的右边产生磁场。3电感值的计算公式如下所示。卷数越多，磁场越强。同时，横截面积变大，或改变磁芯都能够使磁场增强。4那么让我们来看看将交流电流过电感会发生什么变化吧。交流电是指随时间推移电流大小和方向会发生周期性变化的电流。当交流电通过电感时，电流产生的磁场将其他的绕线切隔，因而产生反向电压，从而阻碍电流变 化。特别是当电流突然增加时，和电流相反方向的，即电流减少方向的电动势会产生，来阻碍电流的增加。反之当电流减少时，则向电流增加的方向产生。5若电流的方向逆转，反向电压也同样会产生。在电流被反向电压阻碍之前，电流的流向会发生逆转，因而电流就无法流过。另一方面，直流电由于电流不会发生变化，就不会发生反向电压，也没有发生短路的危险。也就是说，电感器是可以让直流电通过，而通不过交流电的元器件。6电能以磁能的形式存储使直流电通过而交流电无法通过利用电感的这种特性可应用于各种用途。世界上有许多种电感，下一期我们将介绍各种电感最适合于何种用途。7【第2讲】电感器的作用1 高频电感器8【导读】电感器有多种使用方法，根据其使用方法，市场上也出现了各种电感产品。贴片电感器按照用途大致划分为三类，分别是高频电路用电感器、电源电感器（功率电感器）、一般电路用电感，我们能够向客户提供符合需求的贴片电感器。本次，我们向大家介绍其中的高频电路用电感器。9说起高频电路用电感器，顾名思义，就是用于几十MHz到几十GHz的高频带的电感。因为Q值（Qualityfactor）的要求较高，所以一般是空芯结构，主要用于手机及无线LAN等移动通信设备等高频电路。表.1 手机电路块中各电感器的用途例 10绕线结构的特点所谓绕线构造，是在氧化铝芯上将铜线绕成螺旋状。与积层、薄膜方式相比，绕线结构能够用粗线绕制线圈，具备下列特点。1)能够实现低直流阻抗 2)Q(Qualityfactor)非常高 3)能够对应大电流利用该特点，可以在Q值要求较高的天线、PA(power amplifier,功率放大器)电路中用于耦合及IF(intermediate frequency中频)回路的共振。村田的对应产品：LQW04AN/15AN/18AN系列11积层结构的特点所谓积层结构，是将陶瓷材料及线圈导体层压成一体的单片结构。与绕线结构相比，能够实现小型化、低成本化。虽然Q值比绕线结构要低，但L值偏差、额定电流、大小、价格等整体的平衡性较好，用途也较为广泛。适用于移动通信设备的RF（radio frequency 射频）电路的耦合、扼流以及共振等各类用途。村田的对应产品：LQG15HN/15HS/LQG18HN系列 12薄膜结构的特点薄膜结构也是采用积层构造，在制作线圈上采用村田独自的微细加工技术，是一种实现了高精度陶瓷材料的贴片电感器。线圈的制作精度非常高，具有如下特点。1）即便是0603规格的小型贴片电感，也能够实现高性能的电气特性 2）能够实现稳定电感值及细小电感值的阶跃响应 3）高Q、高SRF因此，该电感符合移动通信设备的小型、轻量化趋势，适用于需要偏差较小及较高Q值的RF电路的耦合及共振。村田的对应产品：LQP03TN/LQP02TN系列13如果能够灵活利用上述高频电路用电感器的特点，就能够用于各种高频电路。14【第3讲】电感器的作用2功率电感器15【导读】由于电感器有着各种各样的用途，因此其产品也随用途不同而各种各样。在上一次的讲座中我们对高频电感器做了解说，这次我们将针对电源电路专用电感器进行解说。用于电源电路中的电感器的主要用途有“变换电压用”及“扼流用”，并被用于各种电子设备中。表1电源电路专用电感器的用途与作用村田公司推出了绕线型电感和叠层型两种构造的电源电路专用的电感器产品。接下来就为大家简单介绍一下这两种产品的不同特征。16绕线型电感器的特征绕线型电感器是将铜线以螺旋状绕于铁氧体材料的磁芯上。此外，村田公司的许多电源电路专用电感器产品在绕于铁氧体磁芯上的铜线外面再添加了一层树脂保护层。而树脂保护层的目的则是为了提高产品强度以及形成一个简易的闭合磁路等。如果用于大电流或高感应系数时，绕线型电感器具有一定的好优势。产品的主要用途有手机、TV、HDD、数码相机等各种各样。LQH-P,LQH2MC系列（变换电压用）LQH31C/32C/43C/55D/66S系列、LQW18C系列（扼流线圈用）17叠层型片状电感器的特征叠层型片状电感器是将陶瓷材料及磁芯导体层层堆积并一体化后的单晶片电感。比起绕线型电感，单晶片电感除了体积小、厚度薄以外，还能降低生产成本。随着开关频率的不断提升，主要应用于手机产品的电压变换专用单晶片电感器的需求预计将会进一步加大。LQM-P系列（变换电压用）LQM-F系列（扼流圈用）18如上所述，电源电路专用电感器按照其特征被应用于各种不同的市场及领域 19【第4讲】电感的构造20【导读】本栏目介绍电感器的基础知识。前面两讲中我们主要对高频电感器及电源电感器进行了介绍。这里，我们将介绍不同电感器构造的特性差异及其用途。电感器构造主要分为绕线型、叠层型、薄膜型。2122本章将介绍村田各高频电感器构造的各种特性差异及其构造的使用方法。图示本公司的高频线圈和1005尺寸的各种结构(绕线型、叠层型)的Q值的频率特性。如图1所示，绕线型的特点是Q值远高于叠层型。薄膜型的特点是有小型的0603尺寸、0402尺寸商品，Q值高于同行业其他公司采用的叠层法。(图2)图1:叠层型LQG15系列与绕线型LQW15系列的Q值特性比较(均为2.7nH)23图2:0603尺寸、LQP03TN系列与同行业叠层型产品的Q值特性比较(均为10nH)24高频线圈主要用于手机、无线LAN等高频电路中。下面将介绍各构造高频线圈的主要用途。绕线型LQW系列的特点是Q值较高。由于Q值越高，滤波器带通的衰减特性越好，所以它可使用于RF部的匹配电路上。另外，由于通过它可确保天线的收发信号灵敏度，因此也经常被用于天线的匹配电路上。其次，因其低Rdc特性，也适用于大电流流过的扼流电路中。25薄 膜型LQP系列的特点是，它利用感光法形成电极，从而可实现对线圈模型的细微加工，在实现小型化的同时具备较高的Q值特性，且L值的偏差较小，能实现较小 L值的分布响应。目前，为顺应小型化趋势，正在批量生产占主流地位的0603尺寸及业内最小型化的0402尺寸的产品。可用于需要小型化，偏差小及小L值 分布响应的RF部匹配电路和共振电路中。另外，也可用于注重小型化及低Rdc的扼流电路中。26叠层型构造虽有3种结构且Q值也较低，但由于其L值偏差及规格、价格等整体的平衡性较好，因此被广泛使用于RF的匹配电路、共振电路及扼流电路中。上述3种构造各具特色，根据其特色其使用方法也各不相同。27【第5讲】电感器的封装技术进行28【导读】虽然都被称作电感，但电感产品构造大致分为三类。此外，现在产品阵容越来越丰富，产品规格从大到小种类繁多。近年来，由于设备的小型化需求越来越强，电感产品也在小型化元件方向急速发展，对元件的电路板封装技术要求也越来越高。因此，本期将对电感产品封装的注意事项进行举例说明。29（1）高频用横向绕线型电感器（LQW15）的封装该产品不同于普通的陶瓷电容器，虽为二端子元件，但为获得较高的Q值特性，设计成只在元件底面形成电极的结构。对（图1）这种元件进行封装时，需提供与其底面电极表面积相符的焊锡量。封装不良的事例包括，在元件倾斜的状态下进行封装（图2），或焊盘上偏离（*1）的状态下进行封装（图3）。这些不良情况发生的原因是对元件底面电极表面积提供的焊锡量过多。为避免以上不良情况，回流焊接时应根据电极面积适当控制提供给电路板焊盘的焊锡量。本公司在产品目录的封装信息页面中提供了适当的焊盘图案和焊锡印刷图案。30例如，LQW15A系列为获得最适当的焊锡量，本公司提供了焊锡厚度和焊盘尺寸对应的推荐焊锡量。（图4）（*1）偏差：如图3所示，元件对焊盘出现一定角度偏差的情况31(2）高频用薄膜型电感器（LQP02,LQP03）的封装随着设备小型化的发展，为最小化封装面积而采用的元件从1005尺寸到0603尺寸，近年来更是出现了0402尺寸。小型化发展急速前进。（图5）对于这种超小型元件，封装环境的微小变化可能导致封装不良。例如，元件单侧未与焊锡接触而引发竖起的立碑现象（曼哈顿现象），也称为封装不良情况。（图6）原因包括以下几点。使用贴装机将元件安装到电路板上时出现偏差对元件的左右焊盘提供的焊锡量不同回流焊接时，元件的左右焊盘存在温度差（大型元件紧邻等情况）保护膜印刷偏差或电路板设计时左右焊盘的大小不同电路板设计时的焊盘尺寸过大请务必注意避免在上述环境下进行封装。323）0402尺寸电感器的编带规格（W4P1塑料编带）（2）目前已量产的1005尺寸以下的电感器大部分采用纸质编带作为包装材料，0402尺寸的高频用薄膜型电感LQP02在最初量产时也采用了纸质编带。但是，使用纸质编带时，孔的大小会随着运输、保存时的湿度变化而变化。随着元件尺寸越来越小，这种影响也将越来越大，甚至极有可能在窄邻接封装和高可靠性封装面上无法获得原有的封装品质。为解决以上问题，LQP02系列采用了W4P1塑料编带的包装方式，该塑料编带已被陶瓷电容器采用，且其封装的设备生产线也已相当完备33图7显示了传统纸质编带与W4P1塑料编带在高温状态下，元件孔尺寸的变化情况。图8中总结了W4P1的优势。今后将积极推进LQP02的W4P1塑料编带方式。图7因湿度造成的孔尺寸变化34W4P1：编带宽度（W）为4mm，元件孔间距（P）为1mm的塑料编带（本次介绍的塑料编带规格）W8P2：编带宽度（W）为8mm、元件孔间距（P）为2mm的纸质编带（图8）（目前使用的纸质编带规格）图8.W4P1塑料编带的优势35本期介绍了电感器的封装技术，这些课题对于以陶瓷电容器为主的所有贴片元件都是共通的。村田为了提供用户能够放心使用的元件，今后将继续提供编带规格优化、对客户的封装技术支持等封装相关的解决方案。36【第6讲】为什么电感器上会有方向性标记？37【导读】上次讨论了电感的可靠性，本次将讲解了为什么电感器上会有方向性标记以及介绍电感与磁场的影响。为什么电感器上会有方向性标记？38电感中往往附有可辨别方向性的印记（标记）。我公司商品-薄膜型LQP_T系列产品/多层型LQG系列产品/一部分绕线型LQH产品中附有上述标记。若电感的构造不完全对称，则封装方向上将产生特性差异。因此，为使产品在使用过程中充分发挥其应有的特性，产品上往往标有标记，以表明其方向性。图1是封装方向不同将导致电感值发生变化的实例。39图1 封装方向与电感值的变化率40电感与磁场的影响电感在磁场中储存能量来发挥其功能。但是，电感除受自身产生的电磁能量影响外，也受外部磁通量影响。保证元器件的电感值指的是无外部磁通量状态下的值。因此，在存在外部磁通量的情况下封装电感时，将可能无法发挥其应有的功效。作为一个典型的事例，多个电 感会非常近距离地进行封装。图2是将多个电感紧密排列进行封装时，电感值产生的变化。41图2 封装距离与电感值的变化率42电感会产生磁通量。该磁通量向外部辐射（我公司开发出了一系列防止磁通量向外辐射的产品），这部分能量就损失了。若将多个电感紧密封装在一起，各电感向外部辐射的磁通量将会互相干扰，无法达到所期望的产品特性。外部磁通量能左右电感特性，从而可能进一步影响周边元器件。选择使用的元器件时，请充分考虑上述影响因素并选择最合适的布局。43【第7讲】LQH的诞生及其独特的形状44【导读】距今30多年前，位于北陆的小型相关企业声称要开始正式量产绕线型片状电感LQH。现在有很多电感厂家都在生产LQH型，但在当时只有村田才开发并生产此类形状的电感器。45那 个时代的初期尺寸2010（5.0mm2.5mm）与第二代尺寸1210（3.2mm2.5mm）的方形绕线型片状电感，可以说是现在的LQH的原 型。普通绕线型电感用的铁氧体磁芯都使用圆形切削鼓芯，但是村田并没有这样做，而是自主研发了外形与卷芯均为方形的一体成型铁氧体磁芯及其材料。并且，电 极形状也未使用普通的金属框架端子，而是采用了在铁氧体磁芯中形成直接电极，并连接线圈终端的独特加工法，从而在片状电感中诞生了这种外形较为独特的产 品。46其实，这种较为独特的电感形状发挥了自身特点，从第一代开始，衍生扩大到各种规格和性能的产品线，直到演变成现在的LQH系列，并发 展至今。村田的片状电感一直秉承着Simple is Best的设计理念。当时的村田作为新加入电感行业的新手，无论在产品本身还是生产工艺方面，都无法与老一代的电感厂商相抗衡。因此村田决定干脆将多余 部分取消，追求极其简单的结构，这就是LQH的设计原点。在酒会上，经常听到大家说的一句话就是一定要在不久的将来超越老一代生产厂商并坚持到最后。47村田也在不断地追求着产品本身的各种革新，并非连续30多年生产相同的产品。村田随时根据客户的需求及使用方法的改变，不断进行自身的改良与革新。因此才诞生了各种材料与形状的铁氧体磁芯。也诞生了各种加工工艺的钎焊电极。这些产品因它们所附带的全新性能而被广泛使用。48村田一直保持着基本设计理念-Simple is Best结构。只有简单才易于生产，只有简单才易于机械化，也只有简单才更易于实现高速化。在绕线型片状电感产品中，在Made in Japan的产品中，只有村田仍然一枝独秀。但是，近期日元异常升值，未必能一直保持这种局面 至今仍具有实用性的第二代LQH32M 49【第8讲】首例薄膜型电感LQP31A系列的诞生50【导读】首例薄膜型电感LQP31A系列诞生于距今约20年前的1991年。它和以往卷着铜线的片状电感完全不同。通过将数十个m大小的导体设成类似于蚊香的漩涡状，在薄膜工艺上形成以nH为单位的微小电感，实现世界首创的高频片状电感。该片状电感属于小型薄型尺寸（3.2mm1.6mm0.5mm），并且通过使用光刻工艺实现较高的尺寸精度。与当时片状电感的电感偏差为10相 比，该片状电感实现了2的较小偏差值。它是一款应用于手机、车载电话等移动通信工具以及BS调谐器等高频电路上的产品。51当时，手机和车载电话只是部分董事长才能用得起的高价产品，而且其体积也很大，不是任何人都可以轻松拥有的产品。那个时代，谁都对手机市场将会扩大这一说法持有半信半疑的态度。52在这样的背景下，我开始负责研发工作。这是在进入村田制作所之后的第一年，也就是1989年。对我而言，这不是我擅长的领域，而且是充满了未知的领域。在当 时的部门里，也没有为开展该项工作而准备的试验器材，可以说我们完全是从零起点开始的。我们从无尘室的成立、烧杯等备用品的准备工作开始，于1990年建 成了试制生产线。虽然说是试制生产线，但是我们还是进行的诸如将戴着橡胶手套的手伸入装有溶剂的容器里，在液体中摇动晶片使其腐蚀的这样的手工操作，是一 个充满手工制作感觉的试制生产线。53我们在该试制生产线上开始了研发工作，并开始调制各种各样的药品，反复进行着试制实验。我们并没有顺利的完成模板，我们一边和未知进行着战斗一边继续寻找着解决方案。当第一个模板制作成功时，我们异常欢喜。那已经是6个月之后的事情了。54从那之后，我们在不断尝试失败的同时继续进行着产品的研发工作。制成第一个能够保证性能和信赖性的产品是在着手开发两年之后的1991年。我们开始了一个月 2万个左右规模的量产。虽说是量产，但也是和试制生产线一样，采用的是手工生产线。当然，成本是当时卷线类型产品的数倍，因此销售起来相当困难。但是这 个LQP31A系列的登场堪称之后的1005尺寸、0603尺寸甚至是0402尺寸等小型高频电感登场的先行军。如今，一台智能手机就要使用数十个电 感，我们的生产量更是达到了当时的数万倍。我们现在仍在升级这个试制生产线，并将其运用在研发试制上。它現在仍在为创造出新的价值而奋斗着。55光刻工艺：是一种使涂有感光物质的物体表面像模板状一样曝光（在感光性的物质上照射强光，使其反射），使其生成被曝光部分和未被曝光部分的模板之 后，浸泡在冲洗液体中，以便去除多余部分的技术。主要用于半导体设备、印刷电路板、印刷板、液晶显示面板、等离子显示面板等的生产制造。56【第9讲】以冲切实现超窄偏差的LQS系列57【导读】正如LQH的诞生及其独特的形状中所述，由村田独创形状的LQH从系列到各种尺寸以及性能的产品阵容都进行了扩充。其中，在第2代3225(in mm)/1210(in inch)尺寸(3.2mm2.5mm)的方形绕线型片状电感的基础上增加了磁屏蔽结构和电感系数窄偏差(2%)的电感LQS系列在1992年实现了商品 58在当时铁氧体磁芯缠绕铜线技术中，可实现的最小电感系数偏差为5%。1989年开始将其与组成闭磁路的铁氧体磁芯组合，通过冲切调整电感系数，使偏差实现2%。59为与3225(in mm)/1210(in inch)尺寸的矩形卷线片状电感组合，首先应设计试制组成闭磁路用的铁氧体铁芯，并反复测试其是否能使冲切量与电感系数变化量达到稳定。当然，在没有冲切设备的条 件下，为求取冲切量与电感系数变化量的关系，毎天取数十个产品，以手按压进行研磨，测定电感系数的变化。使用有限要素法进行模拟，让组成闭磁路的铁氧体磁 芯尺寸达到最佳。当通过不断测试，使冲切量与电感系数变化量关系稳定时，我们真切地感受到即使是手工品，也可能实现电感系数偏差2%。60另一方面，为实现 量产，无论是3225(in mm)/1210(in inch)尺寸的矩形卷线片状电感和组成闭磁路用的铁氧体磁芯的组装、还是冲切设备的安置，都需要有生产线。尤其针对冲切设备，还前往了生产铁氧体磁芯的工厂，讨论 用几种研磨设备进行量产化。从如何将产品固定在设备上开始，到冲切精度的提升，最后再到如何将之从设备上卸下进行清洗干燥等一系列过程中，产生的问题极其 繁多。但是，经过各部门的合作，堆积如山的问题能够得以解决，并实现商品化。61最后，LQS系列虽已履行完其商品职能，但构成闭磁路用的铁氧体磁芯组合技术，已由电磁屏蔽结构的卷线商品(LQH66S，DLW5BS/T)继续发扬光大。62