一种可滤除噪声的电感器
2005-09-07 09:03:31
来源：《国际电子变压器》第9期
1引言
如今，许多电子设备如笔记本电脑，手机、文字处理器等等都要缩小体积，减轻重量。随着大规模集成电路技术的发展，这些电子设备中信号处理系统的硬件已能达到较小的体积，但电源系统的元器件，尤其是磁性元件如变压器、电感器仍然占着相当大的体积与重量。因此要尽量减小磁性元件的体积以满足小型化电源系统开发的要求。
减小磁性元件体积的最常见方法是采用高频激励。在此，一个该很重要的问题是磁性元件的主要性能是由制作磁心的磁性材料的频率特性决定的。为解决这个难题，曾有许多公司开发了无磁心高频变压器和薄膜变压器，并用无磁心变压器成功地研制了直流变换器。然而，当使用较高的激励频率时，将会出现更为严重的噪声问题。所以，在设计小型化高频激励的电源系统时，必须解决噪声问题，即在该电源系统中应该增加一个噪声滤波器。
本文研制了一种基于两个邻近串联线圈之间谐振时具有噪声滤除能力的电感器。研发这种电感器的基本设计思路是根据在并行排列的任意两导体之间存在电容，而该电容值的大小取决于电路连线的方法。如果把这种并行排列的线圈串联起来，那么，两个导体上的电位差就是外加总电压的1/2，而两个导体上的电流则以同方向流动，为此，在该两个导体之间存在着共磁感应强度影响，因此在一定的频率下会出现并联谐振现象。这种电感器的谐振阻抗和频率可通过改变电感量和电容量来进行调节。理论研究与实验表明，在较低频率时增加电感值会使阻抗值变大，这就是说，在没有任何外部电容器的情况下可以实现噪声滤波。从而成功地开发出一种具有滤除噪声能力的电感器。
2谐振型电感器研制
2.1基本设计思路
首先考察两个并行排列的导体，见图1（a）所示，接着按图1(b)连接，并推导出图1(c)所示的等效电路。由于以图1(b)的连接方法能够使每根导体得到施加两导体间总电压的一半电压，而两导体上的电流则以同方向流动，这就能在两导体之间得到一个共磁通，因而在一定的频率下会引起并联谐振现象，如图2所示。图中以L、R、M、C分别表示自感、电阻、互感和电容。
2.2基本表达式
根据等效电路图1(c)所示，其谐振频率ωr和谐振阻抗Zr的表达式分别为：
(1)
(2)
式(1)表明，谐振频率ωr可以通过增加电感L+M或电容C的办法使其降低；式(2)则表明，在谐振频率ωr较低的情况下，随着电感值的增加，谐振阻抗值Zr也随之增大。
3实验测试
3.1谐振试验
为了验证这种电感器的谐振现象，需要对电感器的谐振频率和谐振阻抗进行测量。表1所列为被测试电感器的形式和有关参数。
图3示出了测试结果。很明显，图3(a)和图3(c)所示的两个并行导体电感器呈现出清晰而陡峭的并联谐振现象图形，直到10MHz。与它们的情况相反，图3(b)和图3(c)表示了由相同的单导体构成的传统型电感器直到1MHz未出现谐振现象。
为降低谐振频率，可在图1(b)［测试的谐振曲线见图3(a)］所示的谐振型电感器上接入电容器如图4(a)所示。图4(b)为该电路的阻抗与频率特性曲线。图4(b)曲线说明，该电感器的谐振频率已大为降低，同时其谐振阻抗与图3(a)的结果比较也降到了一个较小的值。图5所示为图4(a)电路装在EE型铁氧体磁心上的谐振型电感器及其阻抗与频率的特性曲线。由图5(b)可见，在较低谐振频率处谐振阻抗值较大，由此验证了该集总参数电路为谐振型电感器。
3.2谐振型电感器的滤波特征
采用HP4194A分析仪测试图5(a)所示的谐振型电感器的滤波特征，图6示出了该电感器的增益与频率的特性曲线。显然，图6表明的是一种典型的带阻型滤波器的特性曲线。
4结论
文章论述了一种具有滤除噪声能力的电感器。谐振型电感器是以电路的连接方式为基础的结构，这种电感器在电子线路和电气电路中具有广阔的应用前景。文章也已验证了该电感器作典型应用时的滤除噪声的能力。
参考文献（略）
如今，许多电子设备如笔记本电脑，手机、文字处理器等等都要缩小体积，减轻重量。随着大规模集成电路技术的发展，这些电子设备中信号处理系统的硬件已能达到较小的体积，但电源系统的元器件，尤其是磁性元件如变压器、电感器仍然占着相当大的体积与重量。因此要尽量减小磁性元件的体积以满足小型化电源系统开发的要求。
减小磁性元件体积的最常见方法是采用高频激励。在此，一个该很重要的问题是磁性元件的主要性能是由制作磁心的磁性材料的频率特性决定的。为解决这个难题，曾有许多公司开发了无磁心高频变压器和薄膜变压器，并用无磁心变压器成功地研制了直流变换器。然而，当使用较高的激励频率时，将会出现更为严重的噪声问题。所以，在设计小型化高频激励的电源系统时，必须解决噪声问题，即在该电源系统中应该增加一个噪声滤波器。
本文研制了一种基于两个邻近串联线圈之间谐振时具有噪声滤除能力的电感器。研发这种电感器的基本设计思路是根据在并行排列的任意两导体之间存在电容，而该电容值的大小取决于电路连线的方法。如果把这种并行排列的线圈串联起来，那么，两个导体上的电位差就是外加总电压的1/2，而两个导体上的电流则以同方向流动，为此，在该两个导体之间存在着共磁感应强度影响，因此在一定的频率下会出现并联谐振现象。这种电感器的谐振阻抗和频率可通过改变电感量和电容量来进行调节。理论研究与实验表明，在较低频率时增加电感值会使阻抗值变大，这就是说，在没有任何外部电容器的情况下可以实现噪声滤波。从而成功地开发出一种具有滤除噪声能力的电感器。
2谐振型电感器研制
2.1基本设计思路
首先考察两个并行排列的导体，见图1（a）所示，接着按图1(b)连接，并推导出图1(c)所示的等效电路。由于以图1(b)的连接方法能够使每根导体得到施加两导体间总电压的一半电压，而两导体上的电流则以同方向流动，这就能在两导体之间得到一个共磁通，因而在一定的频率下会引起并联谐振现象，如图2所示。图中以L、R、M、C分别表示自感、电阻、互感和电容。
2.2基本表达式
根据等效电路图1(c)所示，其谐振频率ωr和谐振阻抗Zr的表达式分别为：
(1)
(2)
式(1)表明，谐振频率ωr可以通过增加电感L+M或电容C的办法使其降低；式(2)则表明，在谐振频率ωr较低的情况下，随着电感值的增加，谐振阻抗值Zr也随之增大。
3实验测试
3.1谐振试验
为了验证这种电感器的谐振现象，需要对电感器的谐振频率和谐振阻抗进行测量。表1所列为被测试电感器的形式和有关参数。
图3示出了测试结果。很明显，图3(a)和图3(c)所示的两个并行导体电感器呈现出清晰而陡峭的并联谐振现象图形，直到10MHz。与它们的情况相反，图3(b)和图3(c)表示了由相同的单导体构成的传统型电感器直到1MHz未出现谐振现象。
为降低谐振频率，可在图1(b)［测试的谐振曲线见图3(a)］所示的谐振型电感器上接入电容器如图4(a)所示。图4(b)为该电路的阻抗与频率特性曲线。图4(b)曲线说明，该电感器的谐振频率已大为降低，同时其谐振阻抗与图3(a)的结果比较也降到了一个较小的值。图5所示为图4(a)电路装在EE型铁氧体磁心上的谐振型电感器及其阻抗与频率的特性曲线。由图5(b)可见，在较低谐振频率处谐振阻抗值较大，由此验证了该集总参数电路为谐振型电感器。
3.2谐振型电感器的滤波特征
采用HP4194A分析仪测试图5(a)所示的谐振型电感器的滤波特征，图6示出了该电感器的增益与频率的特性曲线。显然，图6表明的是一种典型的带阻型滤波器的特性曲线。
4结论
文章论述了一种具有滤除噪声能力的电感器。谐振型电感器是以电路的连接方式为基础的结构，这种电感器在电子线路和电气电路中具有广阔的应用前景。文章也已验证了该电感器作典型应用时的滤除噪声的能力。
参考文献（略）
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