电感器与变压器基础及其开发动向
2006-10-09 10:18:11
来源：《国际电子变压器》2006年10月刊
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1电感器与变压器的分类
从电感器与变压器的结构和功能上讲，根据不同的用处有各种类型。
1.1可变电感器
可变电感器可用于电视机和收音机等的中频变压器（IFT）与振荡线圈中，在其内部设置有可动部分，正确的调谐可根据需要改变电感参数。
1.2固定电感器
作为各种电源电路中DC-DC变换器用的电感器和滤波用的电感器等都大量采用这种电感器。它可根据用途和所用的电流值，构成不同类型的固定电感器。
1.3天线（传感器）线圈
该产品最有代表性的是收音机中用的天线棒。近年来，作为汽车用无键输入和轮胎气压监视系统也用上了这种产品。
1.4平衡-不平衡变压器
平衡-不平衡变压器用的磁心有环形和双孔。作为平衡-不平衡的转换电路、阻抗变换、信号分配器和分支器等已被广泛采用。最近，以去除噪音为目的的共模扼流圈正在扩大用量。
1.5倒相变压器
倒相变压器产生的高压，可使液晶面板的后退信号灯所用的冷阴极管发亮。最近，对应初级输入，也生产出了具有次级输出的型号。
1.6多层片式电感器
多层片式电感器不用绕制线圈，它采用导电带与层间材料相互迭层的方法，实现了小型化。
电感器与变压器的分类示于图1。
另外，有时线圈也称作电感器。“电感器”能够体现其电性能，所谓“线圈”，从形状上讲应该是螺旋状的。
2各类电感器的结构与特性
2.1可变电感器
作为可变电感器，这里所要说明的是高频（RF）电感器。高频电感器主要是在100KHz~200MHz的频率下使用，一般情况下，可与装在同一电感器内的电容器同时进行调谐。
2.1.1结构
作为基本结构，可调制线圈与磁性体（磁心）的位置关系，来改变电感量，作为磁性材料是使用铁氧体材料。图2为代表性结构，图3是其外观。从结构上大致可分为两种。
a.工字（鼓）型
在工字型铁氧体磁心上直接绕上线圈，能够获得最大电感值，并可在几百KHz至20MHz比较低的频率下使用。
b.骨架型
这是在树脂制成的骨架内设置有细小沟槽，在其槽内绕制线圈，可获得稳定的特性。可在几MHz至100MHz比较高的频率下使用。
不管哪一种结构大都使用工字磁心和螺纹磁心，因其上面设置有螺纹，可上下调节磁心来改变电感量。
2.1.2 Q值
高频电感器特性有时称作Q（Quality Factor）特性。Q值表示线圈谐振的敏锐度，一般情况下，可以认为电感器的Q值越大越好，但实际使用中，可根据用途的不同，最好大小适中。Q值可用损耗电阻(R)与电感量(L)和角频率ω之比表示为Q=(ωL)/R。
2.1.3种类
高频电感器根据用途的不同种类很多，高度有5mm、7mm，最低的差不多2mm。装配有插针型和表面安装型等各类品种。
2.1.4其他
在实际电路中因基板上存在有分布容量，作为可变电感器，以改变电感量为目的是为了可吸收其散差，使频率正确的谐振。
2.2固定电感器
2.2.1结构
固定电感器结构示于图4。它大致有开磁路和闭磁路两种结构。
开磁路结构只是在工字型磁心上绕上线圈的简单结构，因开磁路设计漏磁通较大，会影响周围的电子元器件，这是产生噪声的主要原因。
闭磁路结构是在工字型磁心上绕上线圈装在环型磁心中，因是闭磁路设计，漏磁通较小，除了对周围其他电子元器件影响很小外，可降低电阻率。不过，要制作高效率的固定电感器其成本很高。
2.2.2 固定电感器的种类
表1示出了固定电感器的种类和特性例。图4(b)是各种固定电感器的外观。
尺寸以3~6mm为主的固定电感器，主要使用于手机和数码相机等小型便携式设备中， 尺寸大于7mm的，主要用在笔记本电脑等的电源部分。
2.2.3电感器使用上的注意事项
决定使用什麽样的电感器，应考虑磁心的磁饱和以及线圈的温升。电感器的直流叠加特性和温升特性示于图5。
通过线圈的直流电流Idc变得越大，电感量L就会急剧下降。这是因为通过电流，磁心处于磁饱和状态。
磁心磁饱和，就会使通过电感器的脉动电流变大。另外通过直流电流，就会使线圈发热，带来温度上升。这是由于绕线所用的铜线自身的铜损(铜线的直流电阻)和磁心的铁损，磁通饱和，磁导率下降，继续增加电流，就会引起发热。假如持续发热，就会出现热失控。
因此，一般情况下，电感器型号的选择方法，应根据样本上记载的电感量L值，对照初始值，按标准至少选定一种下降到一定比例时（通常减少10%~30%）的直流叠加电流值或电感器温度上升到一定温度时的温度上升容许电流。
2.3平衡-不平衡变压器
2.3.1构造
该变压器称作平衡-不平衡（BAL-UN）变压器，（BAL-UN是由Balance to Unbalance Transformer的缩写而来）。
平衡-不平衡变压器通常可作为宽频下使用的变压器，广泛应用于平衡电路－不平衡电路的转换和阻抗的变换等。
普通结构是在环形磁心和双孔磁心上直接绕上线圈制备而成。采用双孔磁心使用在宽频段下的变压器事例示于图6。使用这种双孔磁心的变压器，是将线圈绕在磁心的外侧或绕在两孔之间，变成初级～次级间的结合，为此，除了平衡－不平衡转换电路外，还可应用于分配器和分支器等。平衡－不平衡变压器转换电路的线圈示意图示于图7。
２.3.2共模扼流圈
以使用环形磁心和双孔磁心为例，介绍共模扼流圈。
在差动传输电路中使用共模扼流圈可降低共模噪声，而根据共模电流中的噪声成分，所产生的磁通可相互弥补，这时所产生的阻抗成分可衰减噪声，对应逆向传输的差动电流，由于磁通被抵消，故不会产生阻抗，也不会影响信号波形（图8）。
在应用方面，广泛应用于可去除PC接口的USB2.0和IEEE1394的共模噪声。通常，磁心是使用环形磁心，有时也使用双孔磁心，往双孔磁心的每个孔中绕上线圈，将两个扼流圈封装在一起（参照图9）。
2.4天线（传感器）线圈
作为传感器线圈，这里要说明的是用途扩大到车载用的无键输入和轮胎气压监视系统的TPMS（Tire Pressure Monitoring System）等中用的传感器天线。
LF（Low Frequency）频段范围是30KHz~300KHz，无键入口和TPMS的使用频段是134.2KHz或125KHz。
2.4.1特性要求
作为天线线圈所要求的特性，在L、Q、SRF（自谐振频率）、灵敏度等特性中，灵敏度特性最为重要。一般情况下，几mH的天线线圈和几百pF的电容器串联在一起，目的是利用频率的谐振。
2.4.2结构
LF天线线圈与收音机中的AM用棒形天线同样，虽然属于在棒形磁心上绕上线材的简单结构，但车载用应考虑有一定的耐环境特性。
图10是天线线圈的结构例。为了避免出现磁心裂纹等现象，应选择使用有一定强度的磁心，再有就是将棒形磁心和线圈部分用树脂包封，加强对外部应力的防护(图11)。
2.5倒相变压器
倒相变压器是为液晶显示板上的后退信号灯的CCFL（冷阴极管）发光而设置的变压器。大型液晶电视机中，CCFL用量最多，例如，32英寸的液晶电视机，CCFL大约需要16只，根据灯管的用量，近年来，倒相变压器的需求也在不断扩大。
2.5.1工作原理
倒相变压器假如按图12那样的自激振荡电路，利用外设开关给初级施加交流电压，就会在次级产生根据匝数比的电压。变压器的匝数比（初级:次级）为50到150，在次级产生1500Vrms左右的高压，使CCFL灯亮。
2.5.2结构
因液晶电视机等大多用于家庭，倒相变压器对耐压等的安全性起到关键作用。正如图13的结构图所示，由于要产生高压，故初级和次级线圈的骨架为各自分离结构，来确保耐压。图14是分离结构的倒相变压器结构图。
2.6多层片式电感器
多层片式电感器在结构上趋向于小型扁平化，到目前为止，0603尺寸的多层片式电感器已实现商品化。电感值根据材料（磁性体、非磁性体）的不同，在使用上有所区分，其电感值由nH至μH，作为用途，可使用在手机等通讯设备中。
2.6.1多层片式电感器结构
结构例示于图15。陶瓷材料和导电带交替迭层，切断成一个个半成品后烧结，再形成端子电极。
内部结构一般采用矩形螺旋式结构，线圈方向有纵向和横向两种。各自的特性示于图16。
纵向结构，因导电带宽，线圈的有效直径大，故可取很大的电感值和Q值。
横向结构，因内部导体和端子电极间的分布容量可做得很小，故自谐振频率很高，使用频率范围较宽。另外，无论元件怎样放置，也不会因磁通的产生而改变方向，可作为无方向使用，提高贴片效率。
3结束语
到目前为止，伴随着收音机和电视机等模拟设备的发展，电感器与变压器也在发展。近年来，随着数字化和模块化以及数字家电的不断扩大，DC-DC变换器用电感器和去除噪音用共模扼流圈等的用量不断增加。预计液晶电视机用倒相变压器和手机用nH电感小型多层片式电感器等还会派生出新的应用，电感器与变压器的种类和需求还会进一步扩大。
从电感器与变压器的结构和功能上讲，根据不同的用处有各种类型。
1.1可变电感器
可变电感器可用于电视机和收音机等的中频变压器（IFT）与振荡线圈中，在其内部设置有可动部分，正确的调谐可根据需要改变电感参数。
1.2固定电感器
作为各种电源电路中DC-DC变换器用的电感器和滤波用的电感器等都大量采用这种电感器。它可根据用途和所用的电流值，构成不同类型的固定电感器。
1.3天线（传感器）线圈
该产品最有代表性的是收音机中用的天线棒。近年来，作为汽车用无键输入和轮胎气压监视系统也用上了这种产品。
1.4平衡-不平衡变压器
平衡-不平衡变压器用的磁心有环形和双孔。作为平衡-不平衡的转换电路、阻抗变换、信号分配器和分支器等已被广泛采用。最近，以去除噪音为目的的共模扼流圈正在扩大用量。
1.5倒相变压器
倒相变压器产生的高压，可使液晶面板的后退信号灯所用的冷阴极管发亮。最近，对应初级输入，也生产出了具有次级输出的型号。
1.6多层片式电感器
多层片式电感器不用绕制线圈，它采用导电带与层间材料相互迭层的方法，实现了小型化。
电感器与变压器的分类示于图1。
另外，有时线圈也称作电感器。“电感器”能够体现其电性能，所谓“线圈”，从形状上讲应该是螺旋状的。
2各类电感器的结构与特性
2.1可变电感器
作为可变电感器，这里所要说明的是高频（RF）电感器。高频电感器主要是在100KHz~200MHz的频率下使用，一般情况下，可与装在同一电感器内的电容器同时进行调谐。
2.1.1结构
作为基本结构，可调制线圈与磁性体（磁心）的位置关系，来改变电感量，作为磁性材料是使用铁氧体材料。图2为代表性结构，图3是其外观。从结构上大致可分为两种。
a.工字（鼓）型
在工字型铁氧体磁心上直接绕上线圈，能够获得最大电感值，并可在几百KHz至20MHz比较低的频率下使用。
b.骨架型
这是在树脂制成的骨架内设置有细小沟槽，在其槽内绕制线圈，可获得稳定的特性。可在几MHz至100MHz比较高的频率下使用。
不管哪一种结构大都使用工字磁心和螺纹磁心，因其上面设置有螺纹，可上下调节磁心来改变电感量。
2.1.2 Q值
高频电感器特性有时称作Q（Quality Factor）特性。Q值表示线圈谐振的敏锐度，一般情况下，可以认为电感器的Q值越大越好，但实际使用中，可根据用途的不同，最好大小适中。Q值可用损耗电阻(R)与电感量(L)和角频率ω之比表示为Q=(ωL)/R。
2.1.3种类
高频电感器根据用途的不同种类很多，高度有5mm、7mm，最低的差不多2mm。装配有插针型和表面安装型等各类品种。
2.1.4其他
在实际电路中因基板上存在有分布容量，作为可变电感器，以改变电感量为目的是为了可吸收其散差，使频率正确的谐振。
2.2固定电感器
2.2.1结构
固定电感器结构示于图4。它大致有开磁路和闭磁路两种结构。
开磁路结构只是在工字型磁心上绕上线圈的简单结构，因开磁路设计漏磁通较大，会影响周围的电子元器件，这是产生噪声的主要原因。
闭磁路结构是在工字型磁心上绕上线圈装在环型磁心中，因是闭磁路设计，漏磁通较小，除了对周围其他电子元器件影响很小外，可降低电阻率。不过，要制作高效率的固定电感器其成本很高。
2.2.2 固定电感器的种类
表1示出了固定电感器的种类和特性例。图4(b)是各种固定电感器的外观。
尺寸以3~6mm为主的固定电感器，主要使用于手机和数码相机等小型便携式设备中， 尺寸大于7mm的，主要用在笔记本电脑等的电源部分。
2.2.3电感器使用上的注意事项
决定使用什麽样的电感器，应考虑磁心的磁饱和以及线圈的温升。电感器的直流叠加特性和温升特性示于图5。
通过线圈的直流电流Idc变得越大，电感量L就会急剧下降。这是因为通过电流，磁心处于磁饱和状态。
磁心磁饱和，就会使通过电感器的脉动电流变大。另外通过直流电流，就会使线圈发热，带来温度上升。这是由于绕线所用的铜线自身的铜损(铜线的直流电阻)和磁心的铁损，磁通饱和，磁导率下降，继续增加电流，就会引起发热。假如持续发热，就会出现热失控。
因此，一般情况下，电感器型号的选择方法，应根据样本上记载的电感量L值，对照初始值，按标准至少选定一种下降到一定比例时（通常减少10%~30%）的直流叠加电流值或电感器温度上升到一定温度时的温度上升容许电流。
2.3平衡-不平衡变压器
2.3.1构造
该变压器称作平衡-不平衡（BAL-UN）变压器，（BAL-UN是由Balance to Unbalance Transformer的缩写而来）。
平衡-不平衡变压器通常可作为宽频下使用的变压器，广泛应用于平衡电路－不平衡电路的转换和阻抗的变换等。
普通结构是在环形磁心和双孔磁心上直接绕上线圈制备而成。采用双孔磁心使用在宽频段下的变压器事例示于图6。使用这种双孔磁心的变压器，是将线圈绕在磁心的外侧或绕在两孔之间，变成初级～次级间的结合，为此，除了平衡－不平衡转换电路外，还可应用于分配器和分支器等。平衡－不平衡变压器转换电路的线圈示意图示于图7。
２.3.2共模扼流圈
以使用环形磁心和双孔磁心为例，介绍共模扼流圈。
在差动传输电路中使用共模扼流圈可降低共模噪声，而根据共模电流中的噪声成分，所产生的磁通可相互弥补，这时所产生的阻抗成分可衰减噪声，对应逆向传输的差动电流，由于磁通被抵消，故不会产生阻抗，也不会影响信号波形（图8）。
在应用方面，广泛应用于可去除PC接口的USB2.0和IEEE1394的共模噪声。通常，磁心是使用环形磁心，有时也使用双孔磁心，往双孔磁心的每个孔中绕上线圈，将两个扼流圈封装在一起（参照图9）。
2.4天线（传感器）线圈
作为传感器线圈，这里要说明的是用途扩大到车载用的无键输入和轮胎气压监视系统的TPMS（Tire Pressure Monitoring System）等中用的传感器天线。
LF（Low Frequency）频段范围是30KHz~300KHz，无键入口和TPMS的使用频段是134.2KHz或125KHz。
2.4.1特性要求
作为天线线圈所要求的特性，在L、Q、SRF（自谐振频率）、灵敏度等特性中，灵敏度特性最为重要。一般情况下，几mH的天线线圈和几百pF的电容器串联在一起，目的是利用频率的谐振。
2.4.2结构
LF天线线圈与收音机中的AM用棒形天线同样，虽然属于在棒形磁心上绕上线材的简单结构，但车载用应考虑有一定的耐环境特性。
图10是天线线圈的结构例。为了避免出现磁心裂纹等现象，应选择使用有一定强度的磁心，再有就是将棒形磁心和线圈部分用树脂包封，加强对外部应力的防护(图11)。
2.5倒相变压器
倒相变压器是为液晶显示板上的后退信号灯的CCFL（冷阴极管）发光而设置的变压器。大型液晶电视机中，CCFL用量最多，例如，32英寸的液晶电视机，CCFL大约需要16只，根据灯管的用量，近年来，倒相变压器的需求也在不断扩大。
2.5.1工作原理
倒相变压器假如按图12那样的自激振荡电路，利用外设开关给初级施加交流电压，就会在次级产生根据匝数比的电压。变压器的匝数比（初级:次级）为50到150，在次级产生1500Vrms左右的高压，使CCFL灯亮。
2.5.2结构
因液晶电视机等大多用于家庭，倒相变压器对耐压等的安全性起到关键作用。正如图13的结构图所示，由于要产生高压，故初级和次级线圈的骨架为各自分离结构，来确保耐压。图14是分离结构的倒相变压器结构图。
2.6多层片式电感器
多层片式电感器在结构上趋向于小型扁平化，到目前为止，0603尺寸的多层片式电感器已实现商品化。电感值根据材料（磁性体、非磁性体）的不同，在使用上有所区分，其电感值由nH至μH，作为用途，可使用在手机等通讯设备中。
2.6.1多层片式电感器结构
结构例示于图15。陶瓷材料和导电带交替迭层，切断成一个个半成品后烧结，再形成端子电极。
内部结构一般采用矩形螺旋式结构，线圈方向有纵向和横向两种。各自的特性示于图16。
纵向结构，因导电带宽，线圈的有效直径大，故可取很大的电感值和Q值。
横向结构，因内部导体和端子电极间的分布容量可做得很小，故自谐振频率很高，使用频率范围较宽。另外，无论元件怎样放置，也不会因磁通的产生而改变方向，可作为无方向使用，提高贴片效率。
3结束语
到目前为止，伴随着收音机和电视机等模拟设备的发展，电感器与变压器也在发展。近年来，随着数字化和模块化以及数字家电的不断扩大，DC-DC变换器用电感器和去除噪音用共模扼流圈等的用量不断增加。预计液晶电视机用倒相变压器和手机用nH电感小型多层片式电感器等还会派生出新的应用，电感器与变压器的种类和需求还会进一步扩大。
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