伍尔特电感三部曲知识分享.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。伍尔特电感三部曲-TrilogyofInductors读书笔记吴娟2008年12月9号简介:TrilogyofInductors的前半部分主要介绍了电感的基本原理、各种电感器件的类型、伍尔特的多种多样的高性能电感,我个人认为后半部分比较关键,它介绍了电感在各种电路中的应用,正确的设计电感并将其运用到实际电路中至关重要,有时这就决定了后续设计及生产的合理性,如果运用正确,那么可以大大减小成本,减少不必要的损失,树立公司形象,创造更丰厚的价值。后半部分也介绍了伍尔特重点合作伙伴的一些芯片的设计和具体布线。我
2、看了这本书后,将基本原理和简单电路还要各种型的滤波器分别介绍了一下,当然重点是写了看完这本书后电感在实际布线电路中的应用。第一部分:基本原理主要介绍了基本电感元件,如磁铁棒、基本磁体,讲饱和现象时讲述了安培定律、磁场强度H的概念。磁通的计算公式有:直流导体公式(H=I/2R)、超环面公式(H=NI/2R)和长的螺线管公式(H=NI/l),磁感强度B与磁场强度H乘正比例关系。1、理解电感的依据取决于由磁场和电磁场定律,最重要的现象和定律还是来自物理课程。1.1磁铁棒有南极和北极;如果磁铁被分裂,那么新的磁场就会产生;每个磁铁都是有磁场环绕的,磁场可以由磁感线模型体现;磁场线是闭合的,无头无尾;有
3、有磁性的磁体(如铁)和无磁性的磁体(如铝)。1.2基本磁铁材料有一系列有限的最小的基本磁体组成,它们在外部磁场的影响下定方位。1.3如果所以的基本磁铁都在磁场中定位,那么会发生两种现象:A)这种材料再次变得无磁性:即软磁体B)这种材料还是有磁性:即强磁体磁场有通过导体的电流产生。在磁场线逆时针方向,H和每个小片段(dr)就在同一方向。一个完整的循环给磁体提供了很高的电势。磁场是有磁场强度H决定的,而且有磁场产生的电流定义。1.4SMD(表面贴装器件)铁芯材料仅能有效地用于在一定频率范围内的电感的组成中,这是由独立器件的损失频率造成的。1.5不仅磁体材料会产生磁场,每个载流体也会自己产生磁场。在
4、磁场中能暂时储存能量,这种效应在线圈中机械地损耗,组成一个或更多环绕的线圈。因此同义词“电感”就确立了。有各种类型的电感或线圈,各种线圈都有各自具体的功能。A)L的定义:加反向电压时电流发生变化,则电路元件就会显示电感特性。电感在AC中产生反向电压,是衰减元件,即会产生自感电压。电感终端的自感电压取决于电流的变化。B)AL的定义C)阻抗ZD)自激震荡频率(SFR)每个电感都会因其弯曲或多层线圈而有耦合电容,这些寄生电容有等效电路中电容C表示。在自激震荡频率下,输入能量在电感元件和电容间反复震荡,不吸收外部能量。如果线圈在自激震荡频率时使用,那么就更加会显示电容特性。实际中,线圈应在小于自激震荡
5、频率时工作。E)电阻损耗在电压和电流间有90度相位差时阻抗XL不会损失功率。线圈总损耗由直流电阻损耗和一下频率器件的损耗组成:铁芯材料的损耗;表面导体产生的额外损耗;相邻环绕线圈产生的磁场造成的损耗;辐射损耗;其它磁场屏蔽产生的损耗。所有这些损耗器件都会造成电阻损耗。F)品质因素Q外部输入能量的组件在损耗电阻R中转换乘热量,这并没有使磁场中的储存的能量增加,损失的越多,电感作为缓冲器的性能越差。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
6、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。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。G)额定电流1.6查分电磁兼容(EMC)铁氧体-电感EMC材料为镍-锌。这种材料有很高质量的品质因素Q(2A且周围的温度高于85摄氏度时使用SMD铁氧体就该小心了。SMD铁氧体的应用:数据线滤波器;供电电压解耦合;地解耦合。SMD铁氧体的滤波器或吸收功能不需要地线参考!由于铁氧体材料的敏感性能,即使是微弱的信号,只有对次滤波器适用也能产生影响。6、设计指南设计工程师应该为芯珠添加合适的焊料。这就允许在不同的试验环
7、境下预先选择不同的铁氧体。对频率描述的最快的方法是通过阻抗曲线中的技术数据。GBEAD-有控制输入电压的电压控制电流源FREQ-在P-SPICE中控制的源PBEAD-经验主义决定性价值7、各种类型的铁氧体按电感形式分类:固定电感、可变电感。按导磁体性质分类:空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。按工作性质分类:天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。按绕线结构分类:单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。按工作频率分类:高频线圈、低频线圈。按结构特点分类:磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。8、有定义空气隙的短冷期铁氧体-STAR-GAP发展锌的短冷期铁氧体的目的是增加阻
8、抗。转换器已经达到了这点,主要还是为了减少铁氧体阻抗的直流影响。当短冷期铁氧体关闭时,一个定义的空气隙就会产生,这就保证了在任何时候每个操作模式下能达到预期的特性。此外,外部施加电源时,例如电缆,几乎能弯曲排除。在各种测量结果的基础上,频率大于100MHz的阻抗就可以运用。9、S参数的基本理论在低频下采用测量电压和电流是很有用的,问题在高频是会产生。10、电容的频率特性因构造和电解质材料的不同而不同。对于场的应用,电容器的参数不同,例如击穿额定值、衰减因子、寄生电容、温度漂移、容限等等,这些是它们在某些场合很有利,某些情况下却一点用处也没有。最常见的构造是磁盘。一些评选连接的铁铝箔层被用于增加
9、电容表面面积的有效性,以此增加电容。11、EMC铁氧体等效电路大多数工程师认为铁氧体是电感器件,它有线圈、转换器等等,可以制造出来。理论专家不幸选择了不合适的模型来描述频率的独立参数,这些参数阻碍了进一步了解。新的平行等效电路是能逻辑地、简单地、舒适地进行测量和操作的。某人的测量值高于线圈应用范围的允许工作范围,这种现象已经很明显了。电抗反映了干涉能量,损耗的铁氧体吸收能量。P144-P152主要列出了不同型号的仿真模型参数。12、器件概要P155主要列出了一些铁氧体的类型,阻抗,工作频率范围和应用领域。P156-P159介绍了运用SMD技术的电感的参数。P160-P161介绍了传统电路技术。
10、第三部分:滤波电路这一章主要讲了滤波的基本原理、低通滤波器、滤波流通性、有地参考的滤波器的弊端、提高有地参考的滤波器的选择方案、对称滤波器/共模滤波器、对称信号传输、共模滤波器的流通性、滤波器在接口方面的应用、滤波电路的布置、元器件的布置、线圈滤波器的维和仿真、使用史密斯图设计的想法、用EMC铁氧体抑制噪声、用开关CADIII对滤波器电路进行仿真。1、滤波的基本原理能量不能消失,它只能有一种形式转换成另一种形式。电噪声能量通过屏蔽、有铰链的、铁氧体或滤波器时不会消失。噪声能量起初不会增加,它增加的那部分会转换成热能。这种转换或吸收在器件或器件群级别中能最好地实现。滤波器能将噪声能量转换成热能。
11、条件是:电流必须流过一个压降。这个书面表达容易,但是在电压降产生的地方,常常会发现有干扰。2、低通滤波器低通滤波器是应用于EMC滤波器电路中最常见的一种,然而,为了增强理解,估计滤波器的有效性,一些详细的观察是有必要的。这些观察要以两种最常见的低通滤波器电路为依据。3、滤波流通性滤波器是频率独立的分压器,由电阻、电感和电容组成。频率独立意味着电特性随频率的变化而变化。最常见的是LC低通滤波器,它的阻抗以频率的增加为依据,电容随着频率的增加而减小。这样的话可以解决大多数EMC的理论问题。接着讲述了有地参考的滤波器的弊端、提高有地参考的滤波器的选择方案、对称滤波器/共模滤波器、对称信号传输、共模滤
12、波器的流通性。4、滤波器在接口方面的应用滤波器可以用不同的方式构造,外围电缆和导体构造能辐射电磁波。理论上,有两种电磁波。5、滤波电路的布置除了一些功率滤波器,滤波器也可贴在电路板上。在频率高于500MHz时,电路布线很大程度上会有助于提高滤波器的有效性。互藕电容在通过两个导体间的寄生电容时会增加。互藕电感随处都可能增加,一个电路的电流产生磁场,这个磁场会影响其他的电路。这样,两个电路互相影响,在互藕电容中,这种影响会随着两个电路的分开而急剧下降。6、线圈滤波器的维和仿真P195-P199列了一些图表。7、使用史密斯图设计的想法本章的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识,并且总结它在实际中
13、的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例,比如找出匹配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络,还能帮助设计者优化噪声系数,确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。史密斯图基本理论原理和特点是这样解释的:史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它,可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗,而是用反射系数L,反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导),在处理RF频率的问题时L更加有用。复杂反映因子由正规化阻抗计算得来
14、。在这种理想情况下,阻抗Z与阻抗Z0完全相同,没有放射发生。阻抗可由二维半个飞机模型表示,真正的元件在X轴,假想的元件在Y轴。只考虑有正向阻抗的半球飞机,因为有导通的电路时负极才增加。8、用EMC铁氧体抑制噪声接口信号达到400MHz时趋向于从外围连接线中辐射出去,接口源是电开关信号。9、用开关CADIII对滤波器电路进行仿真以下是软件聚焦:舒适的电路图编辑;整合电压和电流探头;开关控制器件的有效报道;用于分析的整合计算工具;FFT(快速傅里叶变换)功能;拓展帮助功能;自动升级。第四部分:应用这一章介绍了主要的滤波器、应用与DC的功率滤波器、外部AC/DC接口的滤波器、VHF/UHF宽带放大器
15、、对称声频传输、计算机板、USB接口、PentiumII/III系统饿时钟产生器、多媒体应用中的音响功率放大器、开关控制器、开关放大器的应用、功率电感的7个设计技巧、低输入纹波电流的开关控制器仿真、VGA视频分布器、高清晰度声频处理器在多媒体中的应用、供电电压的宽带滤波器、CAN接口、AS接口、RS232电压转换器的并行接口滤波器设备、350瓦的LF放大器、WLAN模型的结构、868MHz的ISM带宽收发器。1、主要的滤波器实践表明,传统滤波器在频率高于30MHz时有最小的衰减,今天的电子线路在能量中产生噪声谱,特别是高于30MHz时,不管它是不是高时钟开关电源或是别的,主要的电缆在100MH
16、z-400MHz频率范围内辐射干扰,这是由它们的长度和缺少屏蔽造成的。如果标准滤波器在所有频带衰减,那么这只是偶然。由于这个原因,高于30MHz的噪声衰减要求额外滤波器。2、外部AC/DC接口的滤波器在很多情况下,变压器在高于30MHz的高频属性只在少数情况下有,这种从DC到AC或从次级转换为主级的使用在数字设备中常常是不足的,有了一些器件的辅助,高频属性能得到很大的改善。3、对称声频传输电路中对称部分(传输器和接收器)的布线,应该与高频相符且有对称路线,这意味着必须有双层板,最好是4层板,线要尽可能短,对称信号路径应该毗邻且长度相同。如果由于电缆屏蔽的电势差产生相等的电流,那么电缆屏蔽就会脱
17、离电容器。4、计算机板小型计算机的问题常常发生在反功能单元,例如音频,视频和数字技术,这些都必须在单独的器件组中整合。5、USB接口个人计算机和外围设备已经有一段时间和USB接口配置了,USB接口是对称的,有最大数据流12Mbit/s。USB控制器通常在石音晶体外工作。6、PentiumII/III系统饿时钟产生器时钟产生器最先进的一代是讲完整时钟信号产生器整合到它的系统中。这包括振荡器,PLLs,有驱动放大器的控制逻辑和分频器。正如高整合那样实际,它产生了高噪声电势差,这种电势差在设计每个电路时代表了一种特殊的EMC机会。P250的时钟综合器图分析如下:这个时钟综合器产生了25-30个时钟信
18、号,由类型的不同,通常在66MHz到133MHz之间,有些是33MHz到48MHz之间。这种流通性的问题在于,由于大量时钟信号被分布到整个电路板的大多数数字芯片上,线路就变得非常长(典型的是20cm-30cm)。由于时钟信号必须快速准确的到达在许多芯片上,短线路在弯曲处就会伸长以确保信号转换时间相对于其它线路而言相近。如果在如此高的时钟频率时,线路的末端产生了合理的方波信号长的线路要求有很高级别的短信号上升时间。小芯片必须为如此多的时钟线提供能量,所以时钟综合器需要特殊的电路设计。这样的时钟信号上升时间在0.3ns到1ns之间,导致和声学进入GHz范围。不仅时钟线要自然阻抗和过度时间之间准确匹
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