電感的頻率特性

本文開始介紹“使用電感降低噪聲的對策”。

什么是電感的頻率特性

在進(jìn)入具體的電感降噪對策解說之前，與介紹“使用電容器降低噪聲”時(shí)一樣，先來簡單回顧一下電感的頻率特性。

首先，電感（線圈）具有以下基本特性，稱之為“電感的感性電抗”

①直流基本上直接流過。
②對于交流，起到類似電阻的作用。
③頻率越高越難通過。

下面是表示電感的頻率和阻抗特性的示意圖。

在理想電感器中，阻抗隨著頻率的提高而呈線性增加，但在實(shí)際的電感器中，如等效電路所示，并聯(lián)存在寄生電容EPC，因而會(huì)產(chǎn)生自諧振現(xiàn)象。

所以，到諧振頻率之前呈現(xiàn)電感本來的感性特性（阻抗隨著頻率升高而增加），但諧振頻率之后寄生電容的影響占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出容性特性（阻抗隨著頻率升高而減?。?。也就是說，在比諧振頻率高的頻率范圍，不發(fā)揮作為電感的作用。

電感的諧振頻率可通過上述公式求得。除了主體是電容量還是電感量的區(qū)別外，該公式與電容的諧振頻率公式基本相同。從公式中可以看出，電感值L變小時(shí)諧振頻率會(huì)升高。

電感的寄生分量中，除了寄生電容EPC之外，還有電感繞組的電阻分量ESR（等效串聯(lián)電阻）、與電容并聯(lián)存在的EPR（等效并聯(lián)電阻）。電阻分量會(huì)限制諧振點(diǎn)的阻抗。

使用電感和鐵氧體磁珠降低噪聲的對策

上部分介紹了電感的基本特性。本部分將介紹實(shí)際的噪聲對策，并通過與鐵氧體磁珠（電感大家族的成員，同樣經(jīng)常被用于降噪對策）的比較來展開話題。

使用電感的降噪對策

僅使用電容無法充分消除噪聲時(shí)，可以考慮使用電感。降噪對策中使用的電感大致有兩種。

①繞組型電感：構(gòu)成濾波器
②鐵氧體磁珠：將噪聲轉(zhuǎn)換為熱

電感和鐵氧體磁珠的阻抗特性

在進(jìn)入使用電感和鐵氧體磁珠降噪的對策介紹之前，先來了解一下它們的基本特性。雖然鐵氧體磁珠被歸類為電感，但其頻率－阻抗特性與普通電感不同。

鐵氧體磁珠與普通電感相比，具有電阻分量R較大、Q值較低的特性。利用該特性可消除噪聲。

另外，直流電流特性也不同。

普通的電感可容許較大的直流疊加電流，只要在其范圍內(nèi)，阻抗不怎么受直流電流的影響，諧振點(diǎn)也幾乎不變。相比之下，鐵氧體磁珠對于直流電流容易飽和，飽和會(huì)導(dǎo)致電感值下降，諧振點(diǎn)向高頻段轉(zhuǎn)移。這會(huì)導(dǎo)致濾波器特性變化，因此需要特別注意。

下面開始介紹使用電感和鐵氧體磁珠降低噪聲的對策。

①繞組型電感：構(gòu)成濾波器

下面是關(guān)于使用了電感的π型濾波器的介紹。在低頻段，因電感和電容而發(fā)揮低通濾波器的作用。到了高頻段，由于電感會(huì)變現(xiàn)為電容、電容會(huì)表現(xiàn)為電感，從而π型濾波器起到高通濾波器的作用，因此無法獲得噪聲消除效果。

②鐵氧體磁珠：將噪聲轉(zhuǎn)換為熱

鐵氧體磁珠在低頻段基本上也起到低通濾波器的作用。但是，如前所述，在這個(gè)頻段對于直流電流容易飽和，使用這種電感值下降的鐵氧體磁珠很難消除目標(biāo)頻段的噪聲。

接下來請看右側(cè)的曲線圖。電抗降低并存在與電阻分量交叉的點(diǎn)。當(dāng)超過這個(gè)被稱為“交叉點(diǎn)”的頻段后，鐵氧體磁珠將起到電阻的作用，具有將噪聲轉(zhuǎn)換為熱的功能。這是與內(nèi)置繞組型電感的濾波器之間的巨大差異。而在更高頻段，則與繞組型電感相同，發(fā)揮高通濾波器的作用。

使用了鐵氧體磁珠的濾波器，不僅可將噪聲旁路消除，還可將噪聲轉(zhuǎn)換為熱，因此有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的噪聲消除性能。但是，需要注意其直流偏置電流特性。

使用共模濾波器降低噪聲的對策

作為使用電感的降噪對策之一，本部分將介紹使用共模濾波器降噪的內(nèi)容。從嚴(yán)格意義上講，共模濾波器并不是電感器，而是磁性器件，是降噪對策中的重要部件。

共模濾波器

共模濾波器的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)繞組繞在一個(gè)磁芯上，相當(dāng)于兩個(gè)電感組合在一起（見下圖）。當(dāng)繞組中流過電流時(shí)，磁芯產(chǎn)生磁通，針對急劇的電流變化，起到使電流不易流通（扼流）的作用。這與電感的自感作用相同。

共模濾波器基本上起到共模電流不流通、差模電流流通的作用。關(guān)鍵在于這2根導(dǎo)線沿同一方向繞在一個(gè)磁芯上。

如圖所示，差模電流是在2根導(dǎo)線上往復(fù)流動(dòng)，因此磁芯產(chǎn)生的磁通方向相反，磁通抵消，因此不能起到扼流作用，而是直接通過。

相比之下，共模電流的流向相同，因此磁通量增強(qiáng)，電流不易流過。也就是說，共模電流＝共模噪聲難以通過，被濾除。

使用共模濾波器降低噪聲的對策

由于這里提到開關(guān)電源的噪聲，因此在下面給出作為電源的輸入濾波器使用的示例。

該圖是在“開關(guān)電源的輸入濾波器”中使用過的圖，如圖所示在電源的輸入線插入共模濾波器。與用于信號(hào)線的共模濾波器相比，用于電源線的共模濾波器使用差模阻抗較大的分裂繞組結(jié)構(gòu)的。這些產(chǎn)品一般作為電源線用共模濾波器推出，其差模噪聲消減效果也值得期待。但是，由于幾百k～幾MHz左右的差模阻抗非常低，因此一般與π型濾波器等差模噪聲用的濾波器并用。

注意點(diǎn) : 串?dāng)_、GND線反彈噪聲

這之前作為使用電感的降噪對策，介紹了電感和鐵氧體磁珠、共模濾波器。本部分將主要介紹PCB板布局相關(guān)的注意事項(xiàng)。

串?dāng)_

串?dāng)_是因電路板布線間的雜散電容和互感，噪聲與相鄰的其他電路板布線耦合，這在“何謂串?dāng)_”中已經(jīng)介紹過。下面是LC濾波器的圖形布局和部件配置帶來的串?dāng)_及其對策示例。

在左側(cè)的布局示例中，VCC線路中有LC濾波器，濾波器后的布線與含有濾波器前的噪聲的布線相鄰，因此噪聲因串?dāng)_而耦合，濾波效果下降。右側(cè)為對策示例，采用了不與含有噪聲的線路相鄰的布局，從而可將噪聲耦合控制在最低限度內(nèi)。

GND線反彈噪聲

在該示例中可以看出，在使用了π型濾波器的電感前后所配置的電容，其GND的設(shè)置方法可能會(huì)帶來地線反彈噪聲。在左圖示例中，如箭頭所示，來自GND的噪聲經(jīng)由電容回流，并去到了濾波器外面。

在這種情況下，為了避免噪聲直接傳播，可利用Via的寄生電感的手法，經(jīng)由過孔（Via）與GND平面連接，改善效果較好。

經(jīng)常聽到“在開關(guān)電源電路中，PCB板布局是非常重要的”，的確非常重要。這里面包含著布局訣竅。

小結(jié)

這之前作為“使用電感的降噪對策”，介紹了“電感和鐵氧體磁珠”、“共模濾波器”，作為注意事項(xiàng)，介紹了“串?dāng)_和GND線反彈噪聲”。本部分將按照與“使用電容器的降噪對策”相同的方式進(jìn)行總結(jié)。

使用電感的降噪對策總結(jié)

1. 使用電感的降噪對策

• 僅用電容無法充分消除噪聲時(shí)，可考慮使用電感。
• 降噪對策中使用的電感大致有兩種。
  ①繞組型電感：組成濾波器
  ②鐵氧體磁珠：將噪聲轉(zhuǎn)換為熱。

2. 電感和鐵氧體磁珠的阻抗特性

• 雖然鐵氧體磁珠被歸類為電感，但其頻率－阻抗特性與普通電感不同。
• 鐵氧體磁珠與普通電感相比，具有電阻分量R較大、Q值較低的特性，因此可利用該特性消除噪聲。
• 普通的電感可容許較大的直流疊加電流，只要在其范圍內(nèi)，阻抗不怎么受直流電流的影響。
• 請注意，鐵氧體磁珠對于直流電流容易飽和，飽和會(huì)導(dǎo)致電感值下降，諧振點(diǎn)向高頻段轉(zhuǎn)移，濾波特性產(chǎn)生變化。

3. 使用繞組型電感的降噪對策：組成濾波器

• 普通電感構(gòu)成的濾波器，可選電感值的范圍較寬。
• 使用電感的Π型濾波器，在低頻段，因電感和電容而發(fā)揮低通濾波器的作用。
• 到了高頻段，由于電感會(huì)表現(xiàn)為電容、電容會(huì)表現(xiàn)為電感，從而π型濾波器起到高通濾波器的作用，因此無法獲得噪聲消除效果。

4. 使用鐵氧體磁珠的降噪對策：將噪聲轉(zhuǎn)換為熱

• 鐵氧體磁珠的Q值較低，因此在較寬頻率范圍內(nèi)具有有效的降噪效果。
• 鐵氧體磁珠在低頻段基本上發(fā)揮低通濾波器的作用，在這個(gè)頻段，對于直流電流容易飽和，因此使用這種電感值下降的鐵氧體磁珠很難消除目標(biāo)頻段的噪聲。
• 當(dāng)電抗下降且越過與電阻分量的交叉點(diǎn)時(shí)，鐵氧體磁珠發(fā)揮電阻的作用，可將噪聲轉(zhuǎn)換為熱。
• 使用了鐵氧體磁珠的濾波器，不僅可將噪聲旁路消除，還可將噪聲轉(zhuǎn)換為熱，因此有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的噪聲消除性能。
• 發(fā)揮電阻功能且將噪聲轉(zhuǎn)換為熱，是與使用繞組型電感的濾波器之間的巨大差異。
• 在更高頻段，則與繞組型電感相同，發(fā)揮高通濾波器的作用。

5. 共模濾波器

• 從嚴(yán)格意義上講，共模濾波器并不是電感器，但在降噪對策中它是重要的磁性器件。
• 共模濾波器的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)繞組繞在一個(gè)磁芯上，相當(dāng)于兩個(gè)電感組合。
• 共模濾波器是利用自感作用來阻止共模電流通過（斬波），從而消除共模噪聲。
• 共模電流不流通、差模電流流通。

6. 使用共模濾波器的降噪對策

• 作為開關(guān)電源的輸入濾波器使用時(shí)，要使用差模阻抗較大的分裂繞組結(jié)構(gòu)的共模濾波器。
• 這種濾波器一般作為電源線用共模濾波器銷售。
• 雖然其差模噪聲消除效果也值得期待，但是由于幾百k～幾MHz左右的差模阻抗非常低，因此一般與π型濾波器等差模噪聲用的濾波器并用。

7. 串?dāng)_相關(guān)的注意事項(xiàng)

• 有些PCB板布線布局，會(huì)因串?dāng)_而導(dǎo)致濾波效果下降。
• 串?dāng)_是因電路板布線間的雜散電容和互感，噪聲與相鄰的其他電路板布線耦合。
• 濾波器后的布線與含有濾波器前的噪聲的布線相鄰時(shí)，噪聲因串?dāng)_而耦合，濾波效果下降。
• 作為對策，采用不與含有噪聲的線路相鄰的布局，可將噪聲耦合控制在最低限度內(nèi)。

8. GND線反彈噪聲相關(guān)的注意事項(xiàng)

• 在使用了Π型濾波器的電感前后所配置的電容，其GND的設(shè)置方法可能會(huì)帶來地線反彈噪聲。
• 作為對策，為了避免噪聲直接傳播，可利用Via的寄生電感的手法，經(jīng)由過孔（Via）與GND平面連接，改善效果較好。