主机板中电感的应用

1、电感常识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，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。电感（inductance）是电子电路或装置的属性之一，指的是：当电流改变时，因电磁感应而产生抵抗电流改变的电动势（EMF，electromotive force）。电路中的任何电流，会产生磁场，磁场的磁通量又作用于电路上。依

2、据楞次定律，此磁通会借由感应出的电压（反电动势）而倾向于抵抗电流的改变。磁通改变量对电流改变量的比值称为自感，自感通常也就直接称作是这个电路的电感。具有电感性的装置称为电感器（inductor，中文里一般也简称电感），电感器通常是一线圈，可以聚集磁场。（自感是互感的特例）电感在电路中的作用基本作用：滤波、振荡、延迟、陷波等形象说法：“通直流，阻交流”通直流：所谓通直流就是指在直流电路中，电感的作用就相当于一根导线，不起任何作用。阻交流：在交流电路中，电感会有阻抗，即XL，整个电路的电流会变小，对交流有一定的阻碍作用。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

3、或低通滤波器、移相电路及谐振电路等；电感的作用是阻碍电流的变化，但是这种作用与电阻阻碍电流流通作用是有区别的。电阻阻碍电流流通作用是以消耗电能为其标志，而电感阻碍电流的变化则纯粹是不让电流变化，当电流增加时电感阻碍电流的增加，当电流减小时电感阻碍电流的减小。电感阻碍电流变化过程并不消耗电能，阻碍电流增加时它将电的能量以磁场的形式暂时储存起来，等到电流减小时它也将磁场的能量释放出来，以结果来说，就是阻碍电流的变化。电气回路的主要组成部分有电阻、电容和电感.电感具有抑制电流变化的作用,并能使交流电移相.把具有电感作用的绕线式的静止感应装置称为电抗器。电抗器也叫电感器，一个导体通电时就会在其所占据的

4、一定空间范围产生磁 场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称铁心电抗器。电抗器的接线分串联和并联两种方式。串联电抗器通常起限流作用，并联电抗器经常用于无功补偿。电抗器也叫电感器，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁 场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称

5、铁心电抗器。电抗器的接线分串联和并联两种方式。串联电抗器通常起限流作用，并联电抗器经常用于无功补偿。四）高频变压器 高导磁率，铁芯将产生一个大的电感，线圈的阻抗使共模信号的通过受到抑制。   3、共模电感器件性能与材料性能的关系   为了使共模干扰更有效地滤除，共模电感首先应具有足够大的电感量，因而铁芯材料具有高导磁率是对共模电感的最基本要求。另一方面，铁芯材料的频率特性也是决定器件性能的一个关键因素。由于共模干扰具有较宽的频谱，而铁芯对共模干扰的阻抗只在某一特定频段具有最大值。所以，为了滤除某个波段的共模干扰，铁芯频率特性应使器件的

6、阻抗在该波段与后面的电路具有最大的不匹配，以对共模干扰产生足够大的损耗（称为插入损耗）。对于共模信号而言，共模电感可以等效为电阻和电感的串联，此时器件的总阻抗为：   其中：为铁芯导磁率实部引起的与纯电感有关的感抗。   为铁芯导磁率虚部引起的与损耗有关的阻抗。L0为空心电感的电感量。   在实际的共模电感中，XL形成对共模干扰的反射，而XR是由于铁芯损耗等被吸收消耗的部分。这两部分都形成了对共模干扰的抑制。因此，共模电感铁芯的总阻抗代表了器件抑制共模干扰的能力。共模电感铁芯供应商大多使用阻抗（或者做成器

7、件后的插入损耗）与频率的关系表示产品的频率特性。   材料的导磁率与频率的关系比较复杂。一般地，导磁率实部随频率的升高而降低；导磁率虚部开始较低，在某个频率（称为截止频率）有峰值，如何又随频率而下降。应当注意，器件阻抗随频率的变化规律和导磁率的规律不同，因为阻抗除了决定于导磁率以外，还与频率有关。一般地，共模电感的阻抗及其频率特性决定于铁芯尺寸、材料特性、线圈匝数等因素。图2为铁氧体和铁基纳米晶合金共模电感的的阻抗频率关系。   4、 纳米晶合金的优势   为了得到对共模干扰最佳的抑制效果，共模

8、电感铁芯必须具有高导磁率、优良的频率特性等。从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料，它具有极佳的频率特性和低成本的优势。但是，铁氧体也具有一些无法克服的弱点，例如温度特性差、饱和磁感低等，在应用时受到了一定限制。   近年来，铁基纳米晶合金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。铁基纳米晶合金的制造工艺是：首先用快速凝固技术制成厚度大约2030微米的非晶合金薄带，卷绕成铁芯后经过进一步加工形成纳米晶。与铁氧体相比，纳米晶合金具有一些独特的优势：   ? 高饱和磁感应强度：铁基纳米晶合金的Bs达1.2T，是铁氧体的两倍

9、以上。作为共模电感铁芯，一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和，否则电感量急剧降低。而在实际应用中，有不少场合的干扰强度较大（例如大功率变频电机），如果用普通的铁氧体作为共模电感，铁芯存在饱和的可能性，不能保证大强度干扰下的噪声抑制效果。由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度，其抗饱和特性无疑明显优于铁氧体，使得纳米晶合金非常适用于抗大电流强干扰的场合。   ? 高初始导磁率：纳米晶合金的初始导磁率可达10万，远远高于铁氧体，因此用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，对弱干扰具有极好的抑制作用。这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适

10、用。在某些特定场合（如医疗设备），设备通过对地电容（如人体）造成泄漏电流，容易形成共模干扰，而设备本身又对此要求极严。此时使用高导磁率的纳米晶合金制造共模电感可能是最佳选择。此外，纳米晶合金的高导磁率可以减少线圈匝数，降低寄生电容等分布参数，因而将由于分布参数引起的在插入损耗谱上的共振峰频率提高。同时，纳米晶铁芯的高导磁率使得共模电感具有更高的电感量和阻抗值，或者在同等电感量的前提下缩小铁芯的体积。   ? 卓越的温度稳定性：铁基纳米晶合金的居里温度高达570oC以上。在有较大温度波动的情况下，纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体，具有优良的稳定性，而且

11、性能的变化接近于线性。一般地，纳米晶合金在50oC-130oC的温度区间内，主要磁性能的变化率 在10%以内。相比之下，铁氧体的居里温度一般在250oC以下，磁性能变化率有时达到100%以上，而且呈非线性，不易补偿。纳米晶合金的这种温度稳定性结合其特有的低损耗特性，为器件设计者提供了宽松的温度条件。而图3为不同材料的饱和磁感应强度的温度特性。   ? 灵活的频率特性：通过不同的制造工艺，纳米晶铁芯可以获得不同的频率特性，配合适当的线圈匝数可以得到不同的阻抗特性，满足不同波段的滤波要求，而其阻抗值大大高于铁氧体。应该指出，任何滤波器都不能指望用一种铁芯材料

12、就可以实现整个频率范围的噪声抑制，而是应根据滤波器要求的滤波频段来选择不同的铁芯材料、尺寸和匝数等。与铁氧体相比，纳米晶合金可以更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性。   铁基纳米晶合金自二十世纪八十年代末开发以来，已经在开关电源变压器、互感器等领域得到了广泛应用。由于纳米晶合金的高导磁率、高饱和磁感、灵活可调的频率特性等优势，在抗共模干扰滤波器等领域也越来越受到重视。国外已经存在可以大批量供应的铁基纳米晶合金共模电感铁芯。随着人们对纳米晶合金认识的逐渐加深，可以预计它们制造的共模电感在国内的应用前景将越来越广阔。   一、初

13、识共模电感   共模电感（Common mode Choke），也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。   各种CMC   小知识：EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）   计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路，它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰，这就是EMI

14、。EMI还会通过主板布线或外接线缆向外发射，造成电磁辐射污染，不但影响其他的电子设备正常工作，还对人体有害。   PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象，也是一个电磁干扰源。总的来说，我们可以把这些电磁干扰分成两类：串模干扰（差模干扰）与共模干扰（接地干扰）。以主板上的两条PCB走线（连接主板各元件的导线）为例，所谓串模干扰，指的是两条走线之间的干扰；而共模干扰则是两条走线和PCB地线之间的电位差引起的干扰。   串模干扰电流作用于两条信号线间，其传导方向与波形和信号电流一致；共模干扰电流作用在信号线路和地线之间，干扰电流在

15、两条信号线上各流过二分之一且同向，并以地线为公共回路。   串模干扰和共模干扰   如果板卡产生的共模电流不经过衰减过滤（尤其是像USB和IEEE 1394接口这种高速接口走线上的共模电流），那么共模干扰电流就很容易通过接口数据线产生电磁辐射-在线缆中因共模电流而产生的共模辐射。美国FCC、国际无线电干扰特别委员会的CISPR22以及我国的GB9254等标准规范等都对信息技术设备通信端口的共模传导干扰和辐射发射有相关的限制要求。   为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰，我们必须合理安

16、排滤波电路来过滤共模和串模的干扰，共模电感就是滤波电路中的一个组成部分。   共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。   共模电感内部电路示意图   上图是我们常见的共模电感的内部电路示意图，在实际电路设计中，还可以采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰。此外，在主板上我们也能看到一种贴片式的共模电感，其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。   贴片CMC

17、60;   二、从工作原理看共模电感   为什么共模电感能防EMI？要弄清楚这点，我们需要从共模电感的结构开始分析。   共模电感滤波电路   上图是包含共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同（绕制反向）。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响（和少量因漏感造成的阻尼）；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增

18、大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。   事实上，将这个滤波电路一端接干扰源，另一端接被干扰设备，则La和C1，Lb和C2就构成两组低通滤波器，可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号，能有效地降低EMI干扰强度。   小知识：漏感和差模电感   对理想的电感模型而言，当线圈绕完后，所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引

19、起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感。因此，共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。   在滤波器的设计中，我们也可以利用漏感。如在普通的滤波器中，仅安装一个共模电感，利用共模电感的漏感产生适量的差模电感，起到对差模电流的抑制作用。有时，还要人为增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量，以达到更好的滤波效果。   从看板卡整体设计看共模电感   在一些主板上，我们能看到共模电感，但是在大多数主板上，我们都会发现省略了该元件，甚至有的连位置也没有预留。这

20、样的主板，合格吗？   不可否认，共模电感对主板高速接口的共模干扰有很好的抑制作用，能有效避免EMI通过线缆形成电磁辐射影响其余外设的正常工作和我们的身体健康。但同时也需要指出，板卡的防EMI设计是一个相当庞大和系统化的工程，采用共模电感的设计只是其中的一个小部分。高速接口处有共模电感设计的板卡，不见得整体防EMI设计就优秀。   所以，从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一个方面，这一点容易被大家忽略，犯下见木不见林的错误。 只有了解了板卡整体的防EMI设计，我们才可以评价板卡的优劣。那么，优秀的板卡设计在防EMI性能上一

21、般都会做哪些工作呢？   主板Layout（布线）设计   对优秀的主板布线设计而言，时钟走线大多会采用屏蔽措施或者靠近地线以降低EMI。对多层PCB设计，在相邻的PCB走线层会采用开环原则，导线从一层到另一层，在设计上就会避免导线形成环状。如果走线构成闭环，就起到了天线的作用，会增强EMI辐射强度。   信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰，因此，在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式处理使其阻抗尽可能的一致，减弱共模干扰。同时，蛇形线在布线时也会最大限度地减小弯曲的摆幅，以减小环形区

22、域的面积，从而降低辐射强度。    主板的蛇形布线   在高速PCB设计中，走线的长度一般都不会是时钟信号波长1/4的整数倍，否则会产生谐振，产生严重的EMI辐射。同时走线要保证回流路径最小而且通畅。对去耦电容的设计来说，其设置要靠近电源管脚，并且电容的电源走线和地线所包围的面积要尽可能地小，这样才能减小电源的波纹和噪声，降低EMI辐射。   当然，上述只是PCB防EMI设计中的一小部分原则。主板的Layout设计是一门非常复 杂而精深的学问，甚至很多DIYer都有这样的共识：Layout设计得

23、优秀与否，对主板的整体性能有着极为重大的影响。   主板布线的划断   如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离，这是绝对不可能的，因为我们没有办法将电磁干扰一个个地"包"起来，因此要采用其他办法来降低干扰的程度。主板PCB中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首，它像天线一样传递和发射着电磁干扰信号，因此在合适的地方"截断"这些"天线"是有用的防EMI的方法。   "天线"断了，再以一圈绝缘体将其包围，它对外界的干扰自然就会大大减小

24、。如果在断开处使用滤波电容还可以更进一步降低电磁辐射泄露。这种设计能明显地增加高频工作时的稳定性和防止EMI辐射的产生，许多大的主板厂商在设计上都使用了该方法。   电感的计算公式:   加载其电感量按下式计算:线圈公式    阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作频率) * 电感量(mH)，设定需用 360ohm 阻抗，因此：    电感

25、量(mH) = 阻抗 (ohm) ÷ (2*3.14159) ÷ F (工作频率) = 360 ÷ (2*3.14159) ÷ 7.06 = 8.116mH    据此可以算出绕线圈数：    圈数 = 电感量*  ( 18*圈直径(吋) + (&#

26、160;40 * 圈长(吋) ÷ 圈直径 (吋)    圈数 = 8.116 * (18*2.047) + (40*3.74) ÷ 2.047 = 19 圈    空心电感计算公式   作者：佚名 转贴自：本站原创 点击数：6684 文章录入： zhaizl 

27、   空心电感计算公式：L(mH)=(0.08D.D.N.N)/(3D+9W+10H)   D-线圈直径   N-线圈匝数   d-线径   H-线圈高度   W-线圈宽度   单位分别为毫米和mH。   空心线圈电感量计算公式:   l=(0.01*D*N*N)/(L/D+0.44)   线圈电感

28、量 l单位: 微亨   线圈直径 D单位: cm   线圈匝数 N单位: 匝   线圈长度 L单位: cm   频率电感电容计算公式:   l=25330.3/(f0*f0)*c   工作频率: f0 单位:MHZ 本题f0=125KHZ=0.125    谐振电容: c 单位:PF 本题建义c=500.1000pf 可自行先决定,或由Q   值决定   谐振电感: l 单位: 微亨   线圈电感的计算公式   1。针对环行CORE，有以下公式可利用: (IRON)