电感基础知识

电磁学的基本知识

1. 电生磁：安培定律==右手螺旋定则
2. 磁生电：法拉第定律==左手定则

电感基础知识

• 电感的本质：它体现了一种电磁感应特性；这种特性指的是当电路中存在电流流动时会产生相应的磁场；而这种磁场在穿过电路时会引发感应电动势；

  • 电感的主要作用: 它不仅能够阻碍交流电路中的电流变化；还能在电路中存储能量并起到能量转换的作用；同时，在电路调谐过程中也扮演着重要角色；

分离信号：随着输入信号频率的变化而变化，在高频时更容易被滤除；利用高频分量难以通过电感器件而低频分量得以正常传递这一特性，在电路中加入电容元件即可实现对有用信息与干扰信息进行有效分离。

存储能量：主要应用于稳定电压调节，在电路中，随着电路中电流的变化而产生磁场；该磁场的变化又会产生感应电流；这一过程实现了将电能转化为磁能并再次转换回电能的过程；从而形成了一个扼流线圈；这种结构能够有效抑制电路中电流的突变或波动。

影响电感的参数：

• 常用的电感公式：

1. L = K μ n²*S/e

电流检测的拓扑结构

高压侧检测：
缺点：测量电路的输入端存在一个近似于工作电压水平的共模电位；
优点：负载和系统基准电压均设置在地电位上，并与被监控电流无关；该方案还具备方便快捷地识别总线接地短路的优势。

• 低压侧检测：
  优点：基于地电压实现的低压侧检测技术不仅降低了输入共模噪声（即降低了输入共模干扰信号），而且特别适用于采用电流监控放大器的应用场景，并因其相关的电路设计简单而具有较低的成本；
  缺点：该技术通过将负载抬高至地电压水平来实现对电网参数的监控，在电网参数发生变化时（如电流波动），在分压电阻器中流动的电流会直接影响系统的基准电平（即系统参考电位）。此外，在某些特殊情况下（如分压电阻周围电源总线发生接地短路），该技术可能会导致回路出现异常情况并难以被探测到。

电流检测方式：四线测量法

• 开尔文测试通常称为四线法，在电路中扣除导线电阻引起的电压降是该方法的核心目的。一段30厘米导线呈现等效电阻约在10到100毫欧姆区间波动。当通过导线流过的电流强度较大（如达到安培级别），其两端会产生几十到上百毫伏特的电压降。要准确测量负载两端的真实电压必须减去上述导线引起的降压影响。此外印刷电路板中的铜箔走线TCR值高达3900ppm/℃而分流电阻仅有50ppm/℃因此温度变化对PCB的影响不可忽视。
• 通过独立接线实现大电流和高电压下的精确测量与内置开尔温连接相比印刷电路板布局实现双端子分流电阻器能显著提高温度稳定性从而有效抑制温度变化对阻值的影响。

磁环：实现EMC整改的关键环节

• 磁环和磁珠的异同点：

1. 磁环与磁珠均为相同材料的铁氧体制成,其材料具备较高的磁导率;
2. 该类元件主要应用于抑制信号线及电源线上产生的高频噪声和尖峰干扰,并且能够吸收静电脉冲;
3. 通常会将磁环安装在产品电源入口线上,并以修正电磁干扰(EMI)问题及减少噪声为主目的;
4. 磁环的等效电路:

5. 磁环如何实现EMC整改，为何有时需要将电源线绕多圈？有何目的？

当线圈穿过磁环数量提升时，在电感上会产生翻番上升的效果。这种现象会导致阻抗也随之增长。然而，在完成超过2个线圈的制造过程中，在起始和结束绕制处会引入杂散电容，在高频信号下会吸收这些杂散信号从而影响整体性能表现。基于降低工作状态下的噪声水平以及精确控制所需工作频率的需求，在低频区域应当优先选择较大的线圈数量以提高稳定性，在高频区域则应适当减少线圈数量来平衡效率与成本的关系；
在选择铁氧体磁芯尺寸时需要特别注意其对系统性能的影响，在设计阶段应当优先考虑内径较小且截面积较大的环形磁芯形状以优化电磁特性。

去耦电容

• 去耦电容的本质：在IC电源输入端配置一个去耦电容器的主要作用是为了去除噪声干扰；其本质类似于一个低通滤波器，在高频范围内能更有效地抑制噪声，并随着工作频率的升高而呈现更高的抗噪声能力。

• 理想情况下，在50Ω系统中理论上计算插入损耗:在同一频率水平下，

  • 当电容器容量增大时，
    • XC（容性阻抗）随之降低；
  • 当容量固定不变时，
    • 随着频率升高，
      • XC进一步降低，
      • 高频噪声更容易地通过去耦电容器传递，
      • 同时系统的抗噪声能力得到显著增强；
  • 当任何参数（容量或频率）增加十倍时，
    • 插入损耗将提升约20dB；
  • 但在实际应用中，
    • 由于电路元件阻抗特性（ESL和ESR）的影响，
    • 在高频环境下系统的抑制能力会有所下降；
    • 因此若希望增强去耦效果，
      • 必须选择ESL和ESR较小的元件。
  1. 电容的阻抗频率响应特性 & 插入损耗
     电容的等效电路：

在谐振频率点之前的电路分析中所述的电容特性可视为理想状态下的电容特性，在此区间内其阻抗值呈现显著的线性变化趋势；当达到谐振频率时最低阻抗值等于SER此时该电路中的电容特性可被简化为电阻性；当谐振频率之后段落中所述的电容特性可表现为电阻性逐步转变为电感性的过渡过程

由于电容参数 ESL 和 ESR 的存在影响，在实际应用中会使电容特性呈现出 V 型分布特点；当阻抗值降低时，在电路中更容易地传导至外电路；此时对应的噪声抑制能力随之增强反而会导致插入损耗明显增加；