电路设计基础知识——电感线圈
电感线圈是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上，导线彼此互相绝缘，而绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯，简称电感。用L表示，单位有亨利(H)、毫亨利 (mH)、微亨利(uH)，1H=10^3mH=10^6uH。
一、电感的分类
按 电感形式 分类：固定电感、可变电感。
按导磁体性质分类：空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。
按 工作性质 分类：天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。
按 绕线结构 分类：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。
二、电感线圈的主要特性参数
1、电感量L
电感量L表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。除专门的电感线圈（色码电感）外，电感量一般不专门标注在线圈上，而以特定的名称标注。
2、感抗XL
电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL，单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为XL=2πfL
3、品质因素Q
品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R
线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的Q值通常为几十到几百。
4、分布电容
线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差，因而线圈的分布电容越小越好。
三、常用线圈
1、单层线圈
单层线圈是用绝缘导线一圈挨一圈地绕在纸筒或胶木骨架上。如晶体管收音机中波天线线圈。
2、蜂房式线圈
如果所绕制的线圈，其平面不与旋转面平行，而是相交成一定的角度，这种线圈称为蜂房式线圈。而其旋转一周，导线来回弯折的次数，常称为折点数。蜂房式绕法的优点是体积小，分布电容小，而且电感量大。蜂房式线圈都是利用蜂房绕线机来绕制，折点越多，分布电容越小
3、铁氧体磁芯和铁粉芯线圈
线圈的电感量大小与有无磁芯有关。在空芯线圈中插入铁氧体磁芯，可增加电感量和提高线圈的品质因素。
4、铜芯线圈
铜芯线圈在超短波范围应用较多，利用旋动铜芯在线圈中的位置来改变电感量，这种调整比较方便、耐用。
5、色码电感器
色码电感器是具有固定电感量的电感器，其电感量标志方法同电阻一样以色环来标记。
6、阻流圈（扼流圈）
限制交流电通过的线圈称阻流圈，分高频阻流圈和低频阻流圈。
7、偏转线圈
偏转线圈是电视机扫描电路输出级的负载，偏转线圈要求：偏转灵敏度高、磁场均匀、Q值高、体积小、价格低。
变压器
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
一、分类
按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。
按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。
按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。
按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。
按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。
二、电源变压器的特性参数
1 工作频率
变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。
2 额定功率
在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。
3 额定电压
指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。
4 电压比
指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。
5 空载电流
变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。
6 空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。
7 效率
指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。
8 绝缘电阻
表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。
三、音频变压器和高频变压器特性参数
1 频率响应
指变压器次级输出电压随工作频率变化的特性。
2 通频带
如果变压器在中间频率的输出电压为U0，当输出电压（输入电压保持不变）下降到0.707U0时的频率范围，称为变压器的通频带B。
3 初、次级阻抗比
变压器初、次级接入适当的阻抗Ro和Ri,使变压器初、次级阻抗匹配，则Ro和Ri的比值称为初、次级阻抗比。在阻抗匹配的情况下，变压器工作在最佳状态，传输效率最高。
电感在电路中的应用
电感在电路最常见的功能就是与电容一起，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（如图），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。
LC滤波电路
在线路板电源部分的电感一般是由线径非常粗的漆包线环绕在涂有各种颜色的圆形磁芯上。而且附近一般有几个高大的滤波铝电解电容，这二者组成的就是上述的LC滤波电路。另外，线路板还大量采用“蛇行线＋贴片钽电容”来组成LC电路，因为蛇行线在电路板上来回折行，也可以看作一个小电感。
电感与磁珠的联系与区别
电感和磁珠的什么联系与区别
1、电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件
2、电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于EMC对策
3、磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题。
EMI的两个途径，即：辐射和传导，不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠，后者用电感。
4、磁珠是用来吸收超高频信号，象一些RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路，中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHZ。
5、电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上。一般地的连接和电源的连接。
在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。对信号线也采用磁珠。
磁珠的大小（确切的说应该是磁珠的特性曲线） 取决于需要磁珠吸收的干扰波的频率。磁珠就是阻高频，对直流电阻低，对高频电阻高。比如1000R@100Mhz就是说对100M频率的信号有1000欧姆的电阻。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠的datasheet上一般会附有频率和阻抗的特性曲线图。一般以100MHz为标准，比如2012B601，就是指在100MHz的时候磁珠的Impedance为600欧姆。
电感和磁珠的选用
在电子设备的PCB 板电路中会大量使用感性元件和EMI 滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠，以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。
表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值，载流能力以及其他类似物理特性不同外，通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。
片式电感
在需要使用片式电感的场合，要求电感实现以下两个基本功能：电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路，振荡电路，时钟电路，脉冲电路，波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q 带通滤波器电路。
要使电路产生谐振，必须有电容和电感同时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容，这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中，电感必须具有高Q，窄的电感偏差，稳定的温度系数，才能达到谐振电路窄带，低的频率温度漂移的要求。
高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。
标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料（通常为氧化铝陶瓷材料）上绕制线圈，或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。
在功率应用场合，作为扼流圈使用时，电感的主要参数是直流电阻（DCR ）,额定电流，和低Q 值。当作为滤波器使用时，希望宽带宽特性，因此，并不需要电感的高Q 特性。低的DCR 可以保证最小的电压降，DCR 定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。
片式磁珠
片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构（PCB 电路）中的RF 噪声,RF 能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信号,而射频RF 能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射（EMI ）。要消除这些不需要的信号能量，使用片式磁珠扮演高频电阻的角色（衰减器），该器件允许直流信号通过，而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz 以上，然而，低频信号也会受到片式磁珠的影响。
片式磁珠由软磁铁氧体材料组成，构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的
电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。
使用片式磁珠的好处：
小型化和轻量化
在射频噪声频率范围内具有高阻抗，消除传输线中的电磁干扰。
闭合磁路结构，更好地消除信号的串绕。
极好的磁屏蔽结构。
降低直流电阻，以免对有用信号产生过大的衰减。
显著的高频特性和阻抗特性（更好的消除RF 能量）。
在高频放大电路中消除寄生振荡。
有效的工作在几个MHz 到几百MHz 的频率范围内。
要正确的选择磁珠，必须注意以下几点：
不需要的信号的频率范围为多少。
噪声源是谁。
需要多大的噪声衰减。
环境条件是什么（温度，直流电压，结构强度）。
电路和负载阻抗是多少。
是否有空间在PCB 板上放置磁珠。
前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要，即电阻，感抗和总阻抗。总阻抗通过 典型的阻抗曲线如下图所示：
通过这一曲线，选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减
尽量小的磁珠型号。
片式磁珠在过大的直流电压下，阻抗特性会受到影响，另外，如果工作温升过高，或者外部磁场过大，磁珠的阻抗都会受到不利的影响。
使用片式磁珠和片式电感的原因：
是使用片式磁珠还是片式电感主要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI 噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。
片式磁珠和片式电感的应用场合：
片式电感：
射频（RF ）和无线通讯，信息技术设备，雷达检波器，汽车电子，蜂窝电话，寻呼机，音频设备，PDAs （个人数字助理），无线遥控系统以及低压供电模块等。
片式磁珠：
时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，I/O 输入/输出内部连接器（比如串口，并口，键盘，鼠标，长途电信，本地局域网），射频（RF ）电路和易受干扰的逻辑设备之间，
供电电路中滤除高频传导干扰，计算机，打印机，录像机（VCRS ）,电视系统和手提电话中的EMI 噪声抑止。
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RELIABILITY TEST CONDITIONS |
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Item (项目) |
Required Characteristics(要求) |
Test Method/Condition (测试方法) |
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High temperature Storage test Reference documents: 高温储存试验 |
1.No case deformation or
1.无明显的外观缺陷 |
Temperature: 85±2℃ Time : 96±2 hours 温度: 85±2℃,时间: 96±2,小时样品在室温 |
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Low temperature Storage test Referencedocuments: 低温储存试验 |
1.No case deformation or change in appearance.
1.无明显的外观缺陷 |
Temperature: -25±2℃ Time : 96±2 hours 温度: -25±2℃,时间:96±2,小时 |
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Humidity test Reference documents: MIL-STD-202G Method 103B 湿度测试 |
1.No case deformation or change in appearance.
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1. Dry oven at a temperature of 40° ±5°C 1.样品必须先在40° ±5°条件下干燥24小时 |
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Thermal shock test
Reference documents: 热冲击测试 |
1.No case deformation or change in appearance. 1.无明显的外观缺陷 |
First -40℃forT time, next +125℃T time as 1 cycle. Go through 20 cycles. 从-40℃作用T分钟,然后温度冲击到125℃ |
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Solderability test 可焊性测试 |
Terminals area must have Solder coverage 端子必须有95%以上着锡 |
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Heat endurance of Reflow soldering Reference documents: IPC J-STD-020B 过再流焊测试 |
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Vibration test Reference documents: MIL-STD-202G Method 201A 振动测试 |
1.No case deformation or 1.无明显的外观缺陷 |
Apply frequency 10~55Hz. 0.75mm 用10~55Hz 振动频率0.75mm振幅沿X,Y,Z方向各 |
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Drop test Reference documents: MIL-STD-202G Method 203C 落下试验 |
1.No case deformation or 1.无明显的外观缺陷 |
Packaged & Drop down from
将产品包装后从1米高度自然落下 |
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Terminal strength push test Reference documents:
JIS C 5321:1997 |
Pulling test: Bending test: |
Bend the testing PCB at middle point,the deflection shall be 2mm 将PCB对中弯折,到达挠度2mm |
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Resistance to solvent test IEC 68-2-45:1993 |
No case deformation or 无外观破坏及标记破损 |
To dip parts into IPA solvent for 5±0.5Min, |
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Electronic characteristic test of major products |
Refer to catalogue of specific 参照具体产品目录页 |
Refer to catalogue of specific 参照具体产品目录页书 |
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Overload test |
1.During the test no smoke, no peculiar,smell, no fire 1.试验过程中无冒烟,异味,着火等, |
Apply twice as rated current for 5 minutes. 通两倍额定电流5 分钟 |
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voltage resistance test MIL-STD-202G Method 301 绝缘耐压测试 |
1.During the test no breakdown 1.试验过程中无击穿 |
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Curve of Heat endurance of Reflow soldering test |
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A test is made under the conditions mentioned above. And it is left 1 hours in the normal temperature and humidity. After that, no mechanical and electrical defeat should be found |
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