電感的Q值知多少—技術文章分析

電感Q值,也是電感的基本參數(shù)之一。不過在DCDC電路設計中,我們很少去考慮它,廠家一般也不會標注。那么電感的Q值到底是什么意思呢?我們什么時候要考慮呢?

還有這幾個問題:

①為什么DC-DC電路設計中,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值也叫作品質因數(shù),其為無功功率除以有功功率。簡單理解的話,就是在一個信號周期內,無功功率為電感存儲的能量,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。為什么這么說呢?

理想電感本身是不能消耗能量的,而實際的電感是有損耗的。電感在一個充放電周期內,儲存并釋放的能量為無功能量,而因為這個過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小于其自諧振頻率,因此寄生電容可以忽略,此時無功功率主要由電感產生,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通電阻Rdc,它包含了電感的所有損耗,我們可以稱之為等效串聯(lián)總電阻。

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

實際上,Q值的提高往往受到一些因素的限制,如導線的直流電阻、線圈骨架的介質損耗、鐵芯和屏蔽引起的損耗以及高頻工作時的集膚效應等。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沒有說要考慮電感Q值,而僅僅只考慮DCR,這是為什么呢?

在BUCK電路中,負載所獲得的能量都是經過電感,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間,所以一個時間周期傳輸?shù)哪芰看笮》謩e對應圖中的面積大小。

Buck電路設計中,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,但是電感在開關頻率處的Q值總不會小于10。而即使我們讓Q等于10來計算,交流電流來的損耗也不過1．5%左右。事實上,我上村田官網(wǎng)查詢了功率電感的Q值,在1Mhz處,Q值基本在15-40之間,因此交流能量帶來的損耗應該是千分之幾,是比較小的。正是因為如此,我們在DCDC電路中,一般不用去考慮電感的Q值,因為它的影響比較小。

與此同時,電感的直流電傳遞了85%的能量給了負載,而其損耗主要由直流導通電阻DCR決定,因此,我們在選用電感的時候,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?

這是因為在自諧振頻率處,電感與其寄生電容諧振了,相當于一個電阻。或者從微觀上看,進入電感的能量在其內部電容和電感中來回倒騰,并不能釋放出來,只能通過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,因為如果由Rdc決定,那么Q值應該隨著頻率線性增大。

那么總電阻Rs是多少呢?我們來計算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)格書參數(shù),Rdc=0．029Ω。由此可見,總的交流電阻要比Rdc大很多的。

什么時候要考慮電感的Q值

實際上,Q值的大小取決于實際應用,并不是越大越好。例如,如果設計一個寬帶濾波器,過高的Q值將使帶內平坦度變壞。在電源去耦電路中采用LC濾波時,高Q值的電感和電容極容易產生自諧振狀態(tài),這樣反而對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損電感,這也說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。

一般來說,對于高頻電感或者射頻電感,一般對Q值有要求,需要注意。

以上就是我對電感Q值的一些簡單理解,如有問題,歡迎參與討論