電感式DC該如何設計?貼片電感的主要參數及其特性分析
信息來源于:互聯網 發布于:2021-11-18
電感是我們在變壓器設計當中較長使用的一種元件,它的主要作用是把電能轉化為磁能再存儲起來。需要注意的是,雖然電感的結構類似于變壓器,但是其只有一個繞組。本篇文章主要介紹了電感式DC-DC的升壓器原理,并且本文屬于基礎性質,適合那些對電感的特性并不了解,但同時又對升壓器感興趣的朋友們。文中的一些原理性知識都能在網上查到,所以這里就不多家贅述了。
想要充分理解電感式升壓原理,我們就必須首先知道電感的特性,包括電磁的轉換與磁儲能。這兩點非常重要,因為我們所需要的所有參數都是由這兩個特性引出來的。
首先,我們先來觀察下面的圖:
各位朋友都知道,上圖是電磁鐵,一個電池對一個線圈通電。有人可能會奇怪,這么簡單的圖有什么好分析的呢?我們就是要用這張簡單的圖來分析它通電和斷電的瞬間發生了什么。
線圈(以后叫作“電感”了)有一個特性---電磁轉換,電可以變成磁,磁也可以變回電。當通電瞬間,電會變為磁并以磁的形式儲存在電感內。而斷電瞬磁會變成電,從電感中釋放出來。
現在我們看看下圖,斷電瞬間發生了什么:
前面我說過了,電感內的磁能會在電感斷電時重新變回電,然而問題來了:此時回路已經斷開,電流無處可以,磁如何能轉換成電流呢?很簡單,電感兩端會出現高壓!電壓有多高呢?無窮高,直到擊穿任何阻擋電流前進的介質為止。
這里我們了解了電感的第二個特性----升壓特性。當回路斷開時,電感內的能量會以無窮高電壓的形式變換回電,電壓能升多高,僅取決于介質變的擊穿電壓。
現在我們對以上的內容作一下小結:
下面是正壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的正電壓。電壓到底升到多高,取決于你在二極管的另一端接了什么東西讓電流有處可去。如果什么也不接,電流就無處可去,于是電壓會升到足夠高,將開關擊穿,能量以熱的形式消耗掉。
然后是負壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的負電壓。
上面說的都是理論,現在來點實際的電子線路圖,看看正/負壓發生器的“最小系統”到底什么樣子:
你可以很清楚看到演變,電路中僅僅把開關換成了三極管換而已。不要小看這兩個圖,事實上,所以開關電源都是由這兩個圖組合變換而來,所以掌握這兩個圖非常重要。
最后要提提磁飽合的問題。什么是磁飽合?
從上面的背景知道我們可以知道電感能儲存能量,將能量以磁場方式保存,但能存多少呢?存滿之后會發生什么情況呢?
1。存多少: “最大磁通量”這個參數就是干這個用的,很顯然,電感不能無限保存能量,它存儲能量的數量由電壓與時間的乘積決定,對于每個電感來說,這是一個常數,根據這個常數你可以算出一個電感要提供N伏M安供電時必須工作于多高的頻率下。
2。存滿之后會如何: 這就是磁飽合的問題。飽合之后,電感失去一切電感應有的特性,變成一純電阻,并以熱的形式消耗掉能量。
經過分析和總結,相比大家都掌握了比較重要的幾個核心電路圖。并且也對其中的原理有了一定的理解,希望各位朋友能夠充分理解這篇文章,從而靈活的應用到自己的設計當中去。
我把一個223電容與一個電感串聯,串聯后再與一個223電容并聯。然后量這個并聯組件的電容,得出不可理解的值:多數這樣的組件的電容是44-50nF之間,但有一些是一百多nF,有一些是幾百nF(拆開后量,各個電容的值仍然是22nF)。
理論上的值應該是44nF,這些奇怪的電容值怎么理解呢?
討論這個問題,用復數分析是最簡捷最準確的。但這需要比較好的數學基礎,能夠從數學式中的各個量看出其物理意義。因此本帖嘗試不用數學,僅用文字敘述。當然,這樣只能進行定性的分析,不可能準確,同時比較冗長羅嗦,但可能物理意義比較清晰。分析如有錯誤或不當,還請版主及各位方家指正。
樓主提出的問題中有三個元件,稍復雜一些,我們先考慮兩個元件,即一個電感和一個電容串聯。
我們知道,串聯電路中電流處處相同。這個相同,不僅是有效值相同,而且瞬時值也相同,也就是說,任何時刻都相同。我們又知道,電感和電容中電流與兩端電壓不同相,電容兩端電壓落后于電流90度,而電感兩端電壓超前于電流90度?,F在電感和電容中電流相位相同,所以電感兩端電壓與電容兩端電壓相位相反,也就是說,任何時刻電容和電感上的電壓是互相“抵消”的。
感抗和容抗都與頻率有關。必定存在某一頻率,在這個頻率感抗與容抗相等。既然電感兩端電壓是感抗乘電流,電容兩端電壓是容抗乘電流,所以在這個頻率下,電感兩端電壓恰與電容兩端電壓大小相等,方向相反,完全抵消。這就是串聯諧振。
電感兩端電壓與電容兩端電壓完全抵消,那么電流不就是無窮大了?實際上電路中總有一些電阻,所以電流不會是無窮大,但電流很大是肯定的。此時串聯電路呈純阻性,即串聯電路兩端電壓與電路中電流同相。
如果頻率稍微降低一些怎么樣?頻率稍微降低一些,容抗變大一點,感抗變小一點,電容兩端電壓的大小稍微比電感兩端電壓的大小大一些,不能完全“抵消”,串聯電路中電流仍比較大,注意比沒有電感時要大,串聯電路呈容性,當然不是純容性,電路中還有一些電阻。從串聯電路兩端看,施加的電壓沒有變化,但電流比沒有電感單純是一個電容時大,好像是電容量變大了??梢赃@樣考慮:感抗“抵消”了一部分容抗,使容抗減少,從串聯電路兩端看,就好像是電容量變大了。
應該注意到,現在容抗隨頻率的變化非???,因為現在感抗與容抗互相“抵消”,頻率變化一點點,“抵消”的程度就會差很多,也就是從串聯電路兩端看上去的電容量隨頻率很快變化,頻率降低一點,“看上去”的電容量就會減少很多。
頻率繼續降低,感抗越來越小,容抗越來越大,直到感抗可以忽略,此時串聯電路中電流與只存在一個電容時幾乎相同,好像電感不存在。根據串聯電路兩端電壓和其中的電流計算電容量,與沒有電感幾乎是相同的。頻率非常低時,就可以認為是完全相同。
頻率從諧振頻率稍微升高一些,所有情況變得相反,現在電路呈感性,但感抗比沒有電容時小,從串聯電路兩端看,好像是容抗“抵消”了一部分感抗,使電感量變小了。頻率繼續升高,容抗越來越小,感抗越來越大,直到容抗可以忽略,根據串聯電路兩端電壓和其中的電流計算電感量,與沒有電容時幾乎相同。
對于電感和電容的并聯電路,分析完全相同,只不過現在是并聯,電感和電容兩端電壓相同,電感中電流和電容中電流相位相反,“抵消”的是電流而不是電壓。
說句題外的話?!峨娐沸蕾p》版有一帖“振蕩電路”,里面有位朋友提到皮爾斯振蕩電路。皮爾斯振蕩電路是晶體振蕩器,晶體接在集電極與基極之間(皮爾斯當年實際是用電子管,那時還沒有晶體管),集電極通過一個并聯諧振回路接電源,發射極接地,基極除供給偏置電流的電路外并無其它。這個電路如何能振蕩?實際上,我們知道晶體相當于一個很大的電感,集電極上的并聯諧振回路稍有失諧,根據上面的分析,相當于一個電容。這樣,集電極到基極是電感,集電極到發射極是電容,基極到發射極也是電容(分布電容),剛好構成三點電容式振蕩電路(考畢茲電路),因此能夠振蕩。調節集電極上的并聯諧振回路,可以改變這個等效的電容量,從而改變反饋量,控制振蕩強度。所以這是個很方便使用的振蕩電路。
根據上面的分析,還可以知道,測量電容或電感的結果,與測量時使用的頻率有關。電路中總有分布電容和分布電感,這些分布電容和電感會影響測量結果,而且在離諧振頻率比較近的地方,會造成很大的影響。因此測量電容或電感,應該使用與實際工作頻率比較接近的頻率去測量,這樣比較能反映實際情況。
回到樓主的問題。一個22nF電容與電感串聯,再與一個22nF電容并聯,我們已經知道,22nF電容與電感串聯后,可能相當于一個比22nF大的電容,也可能相當于一個電感,這與頻率有關。一個比22nF大的電容與一個22nF電容再并聯,當然是比44nF大的電容。至于幾個不同的22nF電容測量結果相差很大,也容易理解。電容器都有誤差,與電感串聯后的諧振頻率各不相同。我們也知道,測量使用的頻率與諧振頻率差一點,可能引起“看上去”的電容量很大的變化,因此各個不同的電容器這樣與電感串聯再與電容并聯,測量的結果相差很大就是很正常的了。