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2018.07.26 DC/DC

電感的配置

配置DC/DC轉換器的機板電路

前次在「熱導孔﹙thermal via﹚的配置」中說明了利用機板及構造的散熱。這次回到零件的話題,接著說明「電感的配置」。

電感﹙inductor﹚

首先,針對與設計相關之電感的特性稍微做一下整理。

當電感有電流流動時會發生磁力線。倘若此磁力線為導體、PCB的話,則通過銅箔時,那一部分會發生渦電流(Eddy Current)。也就是說,如果電感的附近有導體的話,有時會因渦電流而發生問題。由於渦電流會往消除磁力線的方向流動,因此會有電感減少或Q下降(損失増加)的現象。順便一提,Q是表示電感損失量的參數之一,亦即「Q大=損失少」。除此之外,若電感附近的銅箔為訊號線時,視渦電流而定,有時雜訊會傳播成訊號,有可能對電路動作產生不良影響。

另外,電感是會發熱的零件。電感有電流流動時會因為捲線的阻抗成分及其他損失而發熱。想必眾所皆知,當電感變高溫時,除了導致零件材劣化外,在鐵氧體磁心﹙ferrite core﹚的情況下若超越居禮溫度﹙Curie temperature﹚,電感將急劇減少。目標方面,大致上已提示電流額定或阻抗値的規格,在實裝上則必須考量散熱。

請好好思考這些問題,同時確認以下重點。

電感的配置

電感由於可使來自切換節點的輻射雜訊降至最小限度,雖然不如輸入電容器,不過請盡量配置於IC附近。

如果為了降低配線阻抗及散熱而過度擴寬銅箔面積,有時銅箔會以天線身分活動使EMI増加,因此不可以擴充銅箔面積超過必要程度。

從EMI觀點來考量配線面積的設計如Figure6-a所示,而大範圍配線超過必要程度的不良設計則如Figure6-b所示。

Figure 6-a. 電感的建議配線 Figure 6-b. 電感的不良配線超過必要程度的大範圍銅箔面積

想要決定具體配線幅度,可以將電流耐受量設為目標之一。Figure 5是某電流流動時導體幅度﹙寬﹚和自我發熱導致溫度上昇的圖表。

例如,當2A電流流動於導體厚35µm配線時,為了抑制20℃的溫度上升,可以採用0.53mm的導體寬度來因應。但是,配線由於受周邊零件的發熱或周圍溫度影響,因此必須使其具有充分的寬裕邊限﹙margin﹚。例如,1oz(35µm)機板的話建議每1A設定在1mm寬以上,2oz(70µm)機板的話建議每1A設定在0.7mm寬以上。

Figure 5. 溫度因導體厚、導體寬、電流而上升

電感周邊的配線不可以將GND層配置在電感的正下方(Figure 6-c)。這是由於,如先前所述,磁力線通過導體GND層時會發生渦電流,因此在磁力線消除效果下會發生電感值的下降或Q的下降(損失増加)。

即使是GND以外的訊號線也有可能因渦電流使切換雜訊傳播成訊號,因此請盡量避免電感正下方的配線方式。不得已必須配置訊號線時,請使用磁力線洩漏較小之閉磁路構造的電感,不過必須實際測試會不會有問題發生。

此外,電感端子間的配線空間也必須注意。如Figure 6-d所示,若端子間的配線距離太近,切換節點的高頻訊號會穿過浮遊電容量被誘導至輸出。

Figure 6-c. 不良的電感正下方配線 Figure 6-d. 不良的電感端子間配線

並非只局限於電感,零件的配置或配線的引導大多有限制。不過,Layout設計中詳細加入應牽制的重點非常重要。偏離理想時,務必實測並確認有無問題。

重點:

・電感須盡量配置於IC附近。

・銅箔面積不可以擴大超過必要範圍。

・電感正下方不可以配置GND層。訊號線的配置也須極力避免。

・電感端子的配線切勿過於接近。

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