电感在线路中的工作状况解析

电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。 电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参数（或寄生参数），一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。 当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时，不妨考虑下面几个特点： 1、当电感L中有电流I流过时，电感储存的能量为：E=0.5×L×I2（1）。 2、在一个开关周期中，电感电流的变化（纹波电流峰峰值）与电感两端电压的关系为：V=（L×di）/dt（2），由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关。 3、就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分（安·秒）成正比，电感上的电流与电压的积分（伏·秒）成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也将变化;正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。 4、纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为 大输出电流的10%~30%，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%。 计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得 小的输出电压纹波而言非常重要。

电感Q值对对射频巴伦的影响

做过WiFi产品的读者一定知道射频巴伦，英文称之为Balun，就是balance-unbalance的缩写，含义为平衡-不平衡转换器，常见于RFTranceiver的射频输出/输入引脚，用于对射频信号实现差分到单端的转换，后文直接称之为Balun；做过射频的读者也一定知道电感的Q值，即品质因数，是衡量电感器件的主要参数。是指电感在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感的Q值越高，其损耗越小，效率越高。 不知道正在阅读此文的读者是否经历过这样的问题：明明射频部分所用的Balun与参考设计所用的值是一样的，可是射频指标就是很差。笔者本人 近就遭遇了这样的问题。 Atheros的AR9341是一款十分流行的WLANSoC，笔者也在多款产品的设计中采用了这款芯片。在之前的产品设计中，射频指标从未出现过任何问题，基本上都能达到业界 指标，但是在 近的一款产品中，Rx接收灵敏度出奇地差，仅略高于IEEE国际标准，这对于笔者这样的 主义者是完全无法接受的。原始的测试数据如下图，即artgui窗口中的log，可以看到802.11g54Mbps速率下接收灵敏度仅能达到可怜的-66dBm，这与其他产品的-78~-80dBm相差甚远。 相比于其他产品的设计，这款产品射频部分没有LNA和PA，所以接收灵敏度比较差是意料之中的，但是不应该差得如此离谱。在确认了.ref文件中设置为noxlna及正确的switchtable之后，笔者便开始了漫长的调试过程。AR9341参考设计的Rx电路十分简单，由于保密关系，笔者无法给出这部分的原理图，但显而易见，能够影响接收灵敏度的也就是Balun部分了。笔者尝试着变更过Balun部分的电感值与电容值，会对接收灵敏度产生一定的影响，但是都不会带来巨大的改善。 百般无奈之下，笔者比较了一下量产的PCBA与这这款产品Balun部分射频器件的外观（这是本人经常使用的一种快速诊断问题的方法），结果发现一颗电感相差巨大：量产所用的电感为金黄色，而这款产品的电感是白色的！很明显，问题就出在这里。根据以前的项目经验，得知这颗金黄色电感是Muruta的LQP系列射频电感，也是我在BOM中指定的物料，那么结论就是，这颗白色的电感是假的！将金黄色电感更换至这款产品的Balun部分，802.11g54Mpbs速率下的接收灵敏度大幅提升至-73Bm，完全可以满足一般要求。 进一步，白色电感为叠层电感，其 典型的缺点就是Q值很低，自谐振频率也很低，在射频频率下，其表现出来的很可能是容抗，完全失去一颗电感应有的特性；金黄色电感是薄膜电感，具有较高的Q值与较高的自谐振频率，例如MurataLQP系列电感典型Q值为13，自谐振频率为6GHz，完全可以满足2.4GHz频段的要求。 通过这次调试，笔者意识到在其他产品中都具有外部LNA及PA，所以这个问题没有暴露出来，但是在这种没有外部LNA的情况下就完全暴露了，因此笔者建议读者在做射频Balun的设计时，请务必选择高Q值的电感，例如Murata的LQP，LQW系列，电容可选择Murata的GJM系列。 关于射频巴伦 曾经有很多读者向我咨询WiFi产品射频Balun部分的设计原理，我每次的回答都是一样的：请与参考设计一致。这个理由其实很简单，WLANSoC并不会在Datasheet中给出差分输入阻抗，那么射频Balun的设计也就无从谈起，只有芯片公司的人才能知道，因此对于射频工程师来说 的选择就是与参考设计保持一致。