電感Q值,也是電感的基本參數(shù)之一。不過(guò)在DCDC電路設(shè)計(jì)中,我們很少去考慮它,廠家一般也不會(huì)標(biāo)注。那么電感的Q值到底是什么意思呢?我們什么時(shí)候要考慮呢?

還有這幾個(gè)問(wèn)題:

①為什么DC-DC電路設(shè)計(jì)中,為了降低發(fā)熱,一般只考慮DCR,而不考慮電感Q值呢?

②功率電感的Q值曲線是怎么樣的?

③電感的Q值在自諧振頻率處是最大的嗎?

④電感的Q值是越大越好嗎?

電感的Q值定義

電感的Q值也叫作品質(zhì)因數(shù),其為無(wú)功功率除以有功功率。簡(jiǎn)單理解的話,就是在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi),無(wú)功功率為電感存儲(chǔ)的能量,有功功率為電感消耗的能量。

因此,電感Q值主要衡量的是損耗情況。為什么這么說(shuō)呢?

理想電感本身是不能消耗能量的,而實(shí)際的電感是有損耗的。電感在一個(gè)充放電周期內(nèi),儲(chǔ)存并釋放的能量為無(wú)功能量,而因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程額外損耗的能量就是有功能量,損耗的能量主要作為熱量耗散。而兩者的比值就是電感的Q值。所以電感的Q值越高,損耗越小。

電感一般使用頻率遠(yuǎn)小于其自諧振頻率,因此寄生電容可以忽略,此時(shí)無(wú)功功率主要由電感產(chǎn)生,所以Q等于wL除以Rs。

需要注意的是,這里的Rs并不是電感的直流導(dǎo)通電阻Rdc,它包含了電感的所有損耗,我們可以稱(chēng)之為等效串聯(lián)總電阻。

總電阻Rs包括這幾個(gè)分量:電感線圈的直流導(dǎo)通電阻Rdc;磁芯材料磁滯損耗和渦流損耗;趨膚效應(yīng)造成的損耗(不同頻率的損耗電阻Rac不同)。

實(shí)際上,Q值的提高往往受到一些因素的限制,如導(dǎo)線的直流電阻、線圈骨架的介質(zhì)損耗、鐵芯和屏蔽引起的損耗以及高頻工作時(shí)的集膚效應(yīng)等。因此,線圈的Q值不可能做得很高,通常Q值為幾十至一百。

功率電感為什么不考慮Q值

從前面Q值的定義看出,Q值越小,損耗越高,而DCDC中電感選型我們從來(lái)沒(méi)有說(shuō)要考慮電感Q值,而僅僅只考慮DCR,這是為什么呢?

在BUCK電路中,負(fù)載所獲得的能量都是經(jīng)過(guò)電感,而電感電流可以看作是直流Idc上面疊加交流Iac,所以從電感輸送過(guò)去的能量可以看作是兩部分。一部分是直流電,一部分是交流電。

能量等于功率乘以時(shí)間,所以一個(gè)時(shí)間周期傳輸?shù)哪芰看笮》謩e對(duì)應(yīng)圖中的面積大小。

Buck電路設(shè)計(jì)中,一般交流電流Iac的峰峰值為電感平均電流的30%左右,因此,我們可以得到,直流電能量占總傳遞能量的85%,而交流能量占15%。

盡管我們一般并不知道功率電感的Q值是多少,但是電感在開(kāi)關(guān)頻率處的Q值總不會(huì)小于10。而即使我們讓Q等于10來(lái)計(jì)算,交流電流來(lái)的損耗也不過(guò)1．5%左右。事實(shí)上,我上村田官網(wǎng)查詢(xún)了功率電感的Q值,在1Mhz處,Q值基本在15-40之間,因此交流能量帶來(lái)的損耗應(yīng)該是千分之幾,是比較小的。正是因?yàn)槿绱?我們?cè)贒CDC電路中,一般不用去考慮電感的Q值,因?yàn)樗挠绊懕容^小。

與此同時(shí),電感的直流電傳遞了85%的能量給了負(fù)載,而其損耗主要由直流導(dǎo)通電阻DCR決定,因此,我們?cè)谶x用電感的時(shí)候,主要去看DCR參數(shù)。為了減小發(fā)熱,一般選用DCR值小的。

功率電感的Q值曲線

盡管功率電感選型時(shí)我們不需要考慮電感的Q值,但是感興趣的話,我們還是可以看看它曲線。至少我們可以知道,在電感的自諧振頻率處,電感的Q值是最小的,而不是最大的。

這是村田的1264EY-4R7M的4．7uH的電感,可以看到,在諧振頻率處,Q值最小,基本為0。這是為什么呢?

這是因?yàn)樵谧灾C振頻率處,電感與其寄生電容諧振了,相當(dāng)于一個(gè)電阻?；蛘邚奈⒂^上看,進(jìn)入電感的能量在其內(nèi)部電容和電感中來(lái)回倒騰,并不能釋放出來(lái),只能通過(guò)Rs慢慢消耗掉。

從曲線我們也可以看出,在頻率大于100Khz后,電感的損耗就不是主要由Rdc決定了,因?yàn)槿绻蒖dc決定,那么Q值應(yīng)該隨著頻率線性增大。

那么總電阻Rs是多少呢?我們來(lái)計(jì)算1Mh處的Rs。

根據(jù)公式Q=jwL/Rs,Q=25,求得Rs=1．18Ω。查看該電感規(guī)格書(shū)參數(shù),Rdc=0．029Ω。由此可見(jiàn),總的交流電阻要比Rdc大很多的。

什么時(shí)候要考慮電感的Q值

實(shí)際上,Q值的大小取決于實(shí)際應(yīng)用,并不是越大越好。例如,如果設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶濾波器,過(guò)高的Q值將使帶內(nèi)平坦度變壞。在電源去耦電路中采用LC濾波時(shí),高Q值的電感和電容極容易產(chǎn)生自諧振狀態(tài),這樣反而對(duì)諧振頻率附近的噪聲有所放大。

Q值越高,電感的性能越接近于理想的無(wú)損電感,這也說(shuō)明了它在諧振電路中的選擇性更好,因此,諧振電路要選擇高Q值電感。

一般來(lái)說(shuō),對(duì)于高頻電感或者射頻電感,一般對(duì)Q值有要求,需要注意。

以上就是我對(duì)電感Q值的一些簡(jiǎn)單理解,如有問(wèn)題,歡迎參與討論