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看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用

发布时间:2018-09-12 责任编辑:wenwei

【导读】偶尔看到“芯片之家“发布的由安富莱硬汉提供的,据说是TDK整理的一套图文并茂的文章,觉得尤其适合学习电子设计技能的朋友们,故在此也分享一下,并由苏老师加了一些文字注释。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
从电磁场理论 - “变化”的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,因此当有交流电流过由线圈构成的电感的时候,电磁之间的互相转换也就让电感器成为重要的储能元件,并通过对电流变化产生的反应起到对信号变化的处理作用 - 表象的作用就是抑制交流信号,直通直流信号。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
要理解电感器的功能和电感器的各种参数,就要从电磁理论进行分析了。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
了解了其工作原理,也就理解了电感器的主要作用 - 抑制不需要的变化的干扰信号,通过电磁能量互转(所谓的储能)达到稳定电压的作用。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
不要看小小的电感,其实品类繁多,不同的应用领域对其参数的要求是不同的,需要的材质也是不同的,其封装自然也不一样。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
市场最大量的产品基本都是消费类的,尤其是手机,因此电感在手机中的应用也就决定了手机的不同功能驱动着电感器的不断进步。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
这张图给出了电感器的生产加工过程,还挺复杂的吧?想当年我为了做一个5V转400V的DC-DC变换器,还自己亲手用漆包线绕了高频变压器。在集成电路高度集成化并以摩尔定律的速度加速发展的今天,全球的高科技技术人员竟拿电感器无可奈何,无法同其它器件一起集成到器件内部,在电源电路中只好将开关频率提高,电感器可以做的更小。或改用其它的方式尽量避开使用大个头的电感器。
 
电容和电感就像一堆孪生兄弟一样,很多场合下是成对出现的,因此谈到电感,那一定也要谈谈电容了。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
对于交流信号,电感器是玩命阻碍,电容器却是尽量搭桥,隔直流、通交流也就是电容器的特点喽。就像防洪堤坝一样,电容器将汹涌的电荷隔离在两侧,这两侧的正负电荷不断累积也就形成了很强的能量,所以电容器也就有储能的作用,甚至可以替代电池使用。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
这张图上可看出电容器的作用都是围绕着其阻隔直流,通交流来实现的,包括储能、滤波。。。看出来跟电感不一样但命运共同的地方了吧?在数学上二者是相生相杀的冤家。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
就如电感一样,电容的应用场景不同对电容的参数、材料要求也不同,封装也有多种多样。在PCB板上,可以没有其它器件,但不能没有电容,只要有电的地方就一般会有电容的存在。最常见的电容估计就是0.1uF的贴片陶瓷电容了,0805、0603封装的,估计每个工程师的工作台上都有一大把,在电路图上可以放心地安放在各组供电电压的管脚上。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
全球有几个做无源器件(也就是电阻、电容、电感器件)的大佬,TDK算是之一,这个图文并茂的文章就是TDK,此图可以看出TDK在电容方面的技术、工艺和不断探索付出的努力。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
简单分析了一下电感器、电容器的原理、应用和材料,现在就要看一下这些器件是具体如何用的了,先看每个家庭都有的数字电视设备,电感器和电容器最大的应用就是在电源变换中,无论是直接从AC上变换得到DC,还是通过低压的DC得到DC。当然电感器和电容器搭档也是对模拟信号调理中带宽处理的必要组成部分。电感器和电容器的不同组成方式也就对输入的波形能够产生不同的频率处理作用。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
汽车电子是当今电子产业发展的热点,其最大的特点就是可靠性,因此对各种元器件的可靠性要求也是极高的 - 耐高温、耐严寒、耐振动等等,毕竟车不是温室里的家用电器而且对运动中的安全性要求不是一般的苛刻。
 
电源是所有电器的“胃”,给每个部位提供能量,营养好不好也会影响到电子产品肌体的健康。下面来看看电源部分的基础理论以及构成。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
说起电源,先要明白AC和DC的区别以及这二者的适用的场景。由于交流输电(AC)效率最高,因此到家的插座上的电基本都是AC的,但要供电路板上的集成电路工作,那就需要各种不同电压的DC了。所以需要将AC变成DC,或者将某一种电压的DC变换成其它电压的DC,这就是电源变换的作用。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
由于世间的一切都不是理想化的,有各种变数,因此如何在各种可能变化的情况下还要保证稳定的供给,也就是需要在输入电压发生变化、输出负载发生变化的情况下,如何保持稳定的电压输出并提供足够的电流, 这就需要稳压电路来实现。按照调控的枢纽器件 - 三极管工作的状态:线性、开关可以将稳压电路分为线性稳压和开关稳压两种,二者各有优缺点。具体的应用场景应该选用适当的变换方式,或者二者的有机结合。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
将交流供电电源中携带的能量转换到通过直流电压承载的能量,需要先将来回奔跑的力量转变成一个方向奔跑的洪流,这个过程就是“整流”,再将一个方向上的起伏进行平滑,就可以得到步调一致,稳定向前的直流。在这个过程中具有单向导电性的二极管起到了梳理流动方向的作用,在整流中不可或缺,对电压的起伏进行平滑就用到了具有储能作用的电感和电容了。电感器、电容器以及电阻器这三大无源器件就像三大兵种一样各司其职,互相配合,起到疏导、维稳的作用。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
正如前面所讲,两种稳压的方式各有千秋,因二者的构成结构不同,三极管的工作状态不同,但都离不开电感器和电容器做为储能元器件所扮演的角色。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
从一个直流电压变换到另一个直流电压有多种方式,取决于两个电压的值以及输入、输出要求的电流大小(也就是功率的大小)、稳定度等,需要选用不同的变换拓扑以及元器件。
 
看图学器件原理 - 电感器、电容器及其在电源变换中的应用
 
任何的变换都会有一定的损失,在电源变换中被变换的本质上是能量,因此对变换的效率要求是越高越好,也就是说损失、损耗越小越好。要提高转换效率,除了降低器件的损耗之外,还可以通过一定的控制来避免不必要的浪费。在本图中列出了几种能够提高电源转换效率的手段以及对各类元器件的要求。
 
 
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