2.3 电感的选型及应用
2.3.1 与电感相关的经典案例
【案例2-13】LC低通滤波导致输出电源电压纹波偏大
某PHY芯片的核心电压1.5V，要求从本芯片的I/O接口电源2.5V产生。如图2.22所示，PHY芯片通过CONTROL引脚控制外部PNP型管的通断，以产生1.5V电源。测试中发现，在1.5V电源上存在160mV纹波。
【讨论】
根据芯片厂家的信息，该芯片已应用在许多成功的设计上，从而可以排除PHY芯片本身故障的可能。与厂家确认，PHY工作时，外部晶体管转换频率在1100MHz频段内。
出于滤波的目的，本设计对1.5V输出电源采用了LC低通滤波器（L4和C1225），其谐振频率Fs=1/(2π√LC)=1.59MHz，处于PNP型晶体管工作频带内，因此可能产生谐振，分析可得出结论，该纹波应主要来自谐振时产生的剧烈振荡。
本设计中，LC滤波器的本意是为滤除高频噪声，显然设计没有达到应有的效果。仔细分析芯片资料得知，该电路的原理是，PHY芯片内部有一个LDO控制电路，该控制电路通过CONTROL引脚控制外部PNP型晶体管以得到1.5V，内部控制电路和外部的PNP型晶体管共同构成了一个LDO电源，完全没有必要采用LC滤波器。改进设计中，将L4删除，使晶体管的集电极直接接到1.5V输出，经测试，1.5V上纹波仅7mV。
【案例2-14】大电流通路PI型滤波造成电压衰减
某单板的1.8V电源有三个MAC芯片（MAC芯片；链路控制层芯片）作为负载，这些芯片主要分布于单板左侧靠近用户面板的RJ45接口侧。由于单板布局限制，1.8V电源模块只能布放于单板右侧，利用PCB内层信号层（第7层），铺一个电源平面将1.8V传输到单板左侧。每个MAC芯片最大工作电流为1.8A。由于1.8V电源平面的传输路径比较远，为滤除其在传输过程中可能受到的干扰，在1.8V上分别作PI型滤波后再送到各个MAC芯片，原理图如图2.23所示。
PCB内层信号层的1.8V电源平面铺制如图2.24所示。
如图2.24所示，单板右侧的电源模块产生1.8V（网络名为PIV8），在信号层利用一个电源平面与L3、L5连接，经过PI型电路滤波后，产生PIV8_MAC1和PIV8_MAC2，为MAC芯片供电。
经测试，PIV8_MAC1电压为1.67V，PIV8_MAC2电压为1.61V，不满足MAC芯片对1.8V电源的最小电压要求1.62V。
【讨论】
对于欠压问题，首先应考虑的是电源模块输出端。测量PIV8电源模块的输出端A点处电压，Va=1.83V，纹波电压17mV，满足要求。测量PIV8电源平面传输路径上的B点电压，VB=1.77V。测量PIV8电源平面到达电感处的电压Vc=1.77V，V0=1.70V。
可见，MAC芯片处电源欠压的原因有两个：第一，PIV8电源平面上的电压衰减；第二，电感L3和L5造成的电压衰减。
首先，分析PIV8电源平面上的电压衰减。检测PCB图，发现以下潜在缺陷：
（1）电源模块是插装式封装，其输出引脚到第7层的PIV8电源平面的连接，只用了一个过孔。电源模块输出的所有电流必须通过这个过孔才能到达第7层的电源平面，因此该过孔实际上构成了电流传输路径上的一个关键点。
过孔通流能力的计算将在第8章介绍，本设计中，每片MAC全速工作时的电流要求为1.8A，所以总电流要求为3.6A，由通流能力计算可知，该过孔无法满足3.6A的通流，因此过孔成为瓶颈之一。
改进策略有两个。
① 策略1：采用花焊盘过孔代替普通过孔，如图2.25所示。花焊盘过孔本是为加强波峰焊时的散热而应用的一种孔，在本例中，则是利用了花焊盘过孔横截面积远远大于普通过孔横截面积的特点，以增大其通流能力。
② 策略2：在表层电源模块输出引脚附近用一小块电源平面与输出引脚相连，在电源平面上增加数个PIV8的过孔，利用过孔与第7层的PIV8电源平面相连，因此除了原有的花焊盘过孔作为主要通流路径外，这些新增的过孔也增强了通流。在改版设计中，同时采用了策略1和策略2。
（2）PCB的内层第7层PIV8电源平面从A到B的路径存在电压衰减。该电源平面路径宽度为550mil，铜箔厚度为1oz（1.44mil），根据第8章介绍的电源平面通流能力计算方法，可计算出该路径的最大通流能力Imax=6.1A。
两片MAC芯片的总电流需求只有3.6A，而A到B路径上通流能力是6.1A，即使降额30%也足以满足需求，为何出现了电压衰减？
查阅PCB图，发现在A到B路径上存在大量信号过孔和信号走线，如图2.26所示。
图2.26 截取自PCB设计图，是A到B路径的一部分，在左边三个连续的过孔将该路径部分地阻断，中间则有两条信号线引入电源平面，将路径部分地阻断，因此有效路径宽度远远小于550mil，在考虑过孔和信号线的因素后，有效路径宽度仅180mil。根据第8章的相关公式，可计算得到Imax≈2.75A，无法满足MAC芯片的电流需求。
改进策略：增加电源平面的路径宽度，并将原来引入电源平面的信号线挪到其他信号层，减少电源平面内的信号过孔，将有效路径宽度增加到510mil。
（3）B到D的路径上有007V的压降，该部分路径宽度为160mil，除去信号过孔的影响，路径有效宽度仅95mil。根据公式，Imax=1.75A，降额30%后，最大通流能力仅1.2A，无法满足MAC2芯片的电流要求。
由于该路径上的信号过孔属于关键信号，且周围的高速信号非常多，因此信号过孔不能挪动，且路径宽度也无法增加。查看PCB其他层后发现，可以在第15层信号层增加一个PIV8的窄平面。
改进策略：在B和D处各增加4个PIV8过孔，以便将PIV8从第7层引到第15层，在第15层，利用窄平面将B和D连接。采用该策略后，虽然没有加宽第7层的原有电源平面路径宽度，但在其他层新增了一条路径，所以同样提高了通流能力。在这个过程中，同样需要考虑过孔的通流能力。
（4）电感L3和L5上各有0.1V的压降。查看电感器件资料，额定电流为2.7A，足以满足MAC芯片1.8A的需求。根据资料，该电感的最大直流电阻为0.088Ω，按照MAC的最大电流1.8A计算，其压降最大可能达到0.16V。因此可以判断在电感上的压降主要来自电感的直流电阻。
改板时，选择另一个系列的低直流电阻的电感，以进一步降低电感的压降。
【结论】
这个案例是PCB电源平面设计的非常经典的案例。电源平面一旦出了问题，只能通过改板予以解决，势必造成研发周期的推迟。
在电源平面设计中，需要考虑的因素非常多。由本案例的讨论部分可见，对电源平面的设计，往往需要结合一些经验公式。但需要提醒设计者的是，经验公式的前提都是基于比较理想的场合，如电源平面不受干扰等，在实际应用中，不会出现理想的情况，因此对于经验公式得到的结果，必须做一定的降额。
本案例是一个比较综合的案例，虽然不是完全与电感相关，但实际应用中所遇到的电源路径上的压降问题，许多都根源于电感的压降。因此，在电感应用于电源滤波电路时，除考虑滤波特能外，设计者还应考虑电感本身的压降。
2.3.2 高速电路设计中电感的作用
1. 电感的作用之一------通直流、阻交流
在电容一节提到，电容的作用是交流、阻直流。那么，是否存在需要通直流、阻交流的场合？以电源为例，DC/DC直流电源是通过不断地开、合MOSFET管以形成所需的电源电压。开、合的过程含有大量的交流分量，而这些交流分量是直流电源所不需要的。根据公式Z=jωL，频率越高，电感阻抗越大，反之，电感阻抗越小。因此电感天生具有通直流、阻交流的功能，即电感的作用之一是：通直流、阻交流。
2. 电感的作用之二------阻碍电流的变化，保持器件工作电流的稳定
电感是用外表绝缘的导线绕制而成的、电磁敏感的线圈。当线圈中通有电流时，线圈周围会产生磁场。当电流变化时，线圈感应出电动势，以产生与电流方向相反的感应电流，阻碍这种电流的变化。因此，电感的作用之二是，阻碍电流的变化，保持器件工作电流的稳定。
3. 电感的作用之三------滤波
电平状态高速变换的信号，往往寄生有大量的高频谐波，这些谐波是影响电路工作的噪声。在电路设计中，需要构建低通滤波器滤除这些高频噪声。根据电路原理，低通滤波器往往基于电感和电容构建。因此，电感的作用之三是滤波。
2.3.3 高速电路设计常用电感及其应用要点
根据电感的应用场合，可将电感分为高频信号用电感、一般信号用电感和电源用电感。从器件资料上，需要得到以下关键信息：
• 电感值
• 直流电阻
• 自谐振频率（Q最大时的频率）
• 额定电流
以下就不同类型电感进行具体分析。文中所列举的参数主要取自电感器件厂家TDK的相关资料。
1. 高频信号用电感
高频信号用电感主要用在射频信号上。
1）主要参数
① 电感值范围：0.6～390nH。
② 直流电阻：有多种直流电阻可供选择。一般而言，电感值越大，其对应的直流电阻也越大。
③ 自谐振频率：可以高达12GHz。电感值越大，其对应的自谐振频率往往越小。
④ 额定电流：几十毫安到几百毫安。电感值越大，其对应的额定电流往往越小。
2）应用特点
电感值和自谐振点与工作频率的关系如图2.27所示。
从图2.27可知，工作频率小于谐振频率时，电感值基本保持稳定；但一旦工作频率超过谐振频率后，电感值将会迅速增大。不过，若频率继续增大并达到一定程度后，电感值又会迅速减小（减小的这个过程没有在图2.27中体现）。
在应用中，应选择谐振频率点高于工作频率的电感。
对于高频信号用电感而言，谐振频率点一般在1GHz以上，因此该类电感可支持很高的工作频率。
2. 一般信号用电感
一般信号用电感主要用在高速信号上。
1）主要参数
① 电感值范围：0.01～1000μH。
② 直流电阻：有多种直流电阻可供选择，电感值越大，对应的直流电阻也越大。一般信号用电感，其直流电阻比高频信号用电感和电源用电感大一些，最小的直流电阻一般为100mΩ，大的可达到几欧姆。
③ 自谐振频率：几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大，其对应的自谐振频率越小。
④ 额定电流：几毫安到几十毫安。电感值越大，其对应的额定电流越小。
2）应用特点
从图2.28可知，工作频率低于谐振频率时，电感值基本保持稳定；但工作频率超过谐振频率后，电感值将会先增大，达到一定频率后，将迅速减小。
从阻抗频率曲线图可知，工作频率低于谐振频率时，电感器件表现出电感性，阻抗随着频率的升高而增大；当工作频率高于谐振频率时，电感器件表现出电容性，阻抗随着频率的升高而减小。
因此，在应用中，应选择谐振频率点高于工作频率的电感。
对于一般信号用电感而言，谐振频率点一般在几百兆赫兹之内，该类电感也是高速电路设计中最常用的电感。高速设计中的板间互连信号，纹波比较小信号大，可以使用一般信号用电感加以滤波。
设计中需要注意，高频信号用电感和一般信号用电感额定电流都比较小，而直流电阻相对较大，不建议用于电源滤波。
3. 电源用电感
电源用电感主要用在电源电路中。
1）主要参数
① 电感值范围：1～470μH。
② 直流电阻：有多种直流电阻可供选择，电感值越大，其对应的直流电阻也越大。最小的直流电阻一般为几毫欧，大的可达到几欧姆。
③ 自谐振频率：几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大，其对应的自谐振频率越小。
④ 额定电流：几十毫安到几安。电感值越大，对应的额定电流越大。
2）应用特点
从图2.29可知，工作频率低于谐振频率时，电感值基本保持稳定；但工作频率超过谐振频率，电感值将会先增大，到一定频率后，又迅速减小。
在应用中，应选择谐振频率点高于工作频率的电感。
对于电源用电感而言，谐振频率点一般在几十兆赫兹之内，该类电感是高速设计中电源滤波最常用的电感。
3）注意事项
为电源滤波选用电感时，需要注意以下几点。
① 电感与电容组成低通滤波器时，电感值是一个很关键的参数。电感器件资料标称的电感值，是工作频率低于谐振频率点的值，如果工作频率高于谐振频率，则电感值将会随着工作频率的升高而急剧减小，逐步呈现电容性。
② 电感用于电源滤波时，需要考虑由于其直流电阻而引起的压降。
③ 用于电源滤波时，电感的工作电流必须小于额定电流。如果工作电流大于额定电流，电感未必会损坏，但是电感值可能低于标称值。
以上就多层式磁屏蔽电感的三种类型进行了仔细讨论。除了多层式磁屏蔽电感，常用的还有绕组式电感等，种类虽多，但分析方法都是类似的。
设计中需要注意，电感选型时，首先需要根据设计需求选择对应类型的电感。例如，在高速信号线上使用的电感，应该重点考察其Q频率特性曲线；为电源滤波使用的电感，应重点考察其直流电阻、额定电流等参数。在确定好电感类型后，再根据设计的具体需求，结合电感的特性曲线，在该类型中选择合适的电感。
理解要点：
① 电感与电容构成低通滤波器时，需要注意防止噪声频率点与谐振频率点重合，以免共振。
② 电感串联在电源电路中，需考虑电感器件的压降。
③ 针对设计需求，选择类型适合的电感。信号线上使用的电感，重点考察其品质因数频率特性曲线；电源电路上使用的电感，应重点考查其直流电阻、额定电流等参数。
2.4 磁珠的选型及应用
2.4.1 磁珠的滤波机理
磁珠的外形与电感相似，其主要功能是吸收电源、信号上的噪声等干扰。
请注意到"吸收"这两个字。电容本身可以起到滤波的作用，电感和电容相配合也能起到滤波的作用，但这种滤波，并没有真正将噪声消除。例如，电容的滤波，其原理是在高频时构建一条通到地平面的低阻抗通道，以便将噪声泄放到地平面。而电感和电容配合的滤波，其原理是构建一个低通滤波器，使频段比较低的信号顺利而无衰减地通过；而阻断频段比较高的噪声，低通滤波器对高频段噪声而言，近似于一个极大的电阻，高频段噪声遇到这个极大的电阻，只能被反射回去，基于该原理，应用低通滤波器能有效地保证滤波器后级电路的稳定性。
根据滤波作用原理可知，电容滤波的基础是构建极低阻抗的通道，至于多低的阻抗才能使单板上绝大多数噪声通过该通道而流回地平面，需要进行大量复杂的电源完整性仿真才能确定。在设计中，一般是采取宁密勿缺的原则，即布放尽量多的电容，这样做不仅耗费了大量宝贵的PCB面积，而且许多电容并没有真正发挥作用，造成无谓的成本上升。而由电感构成的低通滤波器，甚至无法将噪声滤放到地平面上，其工作原理是将噪声予以反射，噪声仍然在电路中四处游串；低通滤波的另一个缺陷是，其应用频率范围一般都只能在几十兆赫兹之内，无法有针对性地滤除某些特定频率上的高频噪声。
基于以上讨论，可以看出这两种滤波方式都没有真正地消灭噪声，只是改变了噪声传播的路径。而本小节将要介绍的磁珠，基于的则是完全不同的滤波机理。
磁珠的作用也是滤波，但与电容和电感不同的是，磁珠在一定频带内能反射噪声，在一定频带内还能吸收噪声并转换为热能。
2.4.2 高速电路设计中磁珠的选型及其应用要点
在器件资料上，磁珠的参数是其在100MHz时的阻抗值。
如图2.30所示为磁珠的等效电路图。磁珠等效电路的电抗成分以X表示，电阻成分以R表示。其整体特性用R和X合成的阻抗Z的频率特性表示。
如果100MHz时这两种器件的阻抗相等，那么这两种器件是否可以完全相互替代？答案是否定的。
磁珠的阻抗Z由电阻成分R和电抗成分X共同决定。在低频段，X起主导作用，磁珠主要体现为电感性，功能是反射噪声；在高频段，R起决定作用，磁珠主要体现为电阻性，功能是吸收噪声并将其转换为热。这两种功能的转换点就是曲线上，R和X值相等处的频率。
转换点所在频率以下，磁珠体现电感性，转换点所在频率以上，磁珠体现电阻性。电感性的作用是反射噪声，电阻性的作用是吸收噪声并转换为热能。因此，转换点所在频率越高，磁珠体现电感性的频带越宽，对低频噪声的吸收能力越弱；转换点所在频率越低，磁珠体现电阻性的频带越宽，对低频噪声的吸收能力越强。在磁珠选型时，需要仔细分析电路上信号和噪声所处的频带，所选择的磁珠应满足：电路噪声的频带大于磁珠转换点频率，以便使磁珠吸收噪声而不是反射噪声；电路信号的频带尽量小于磁珠转换点频率，以防有效信号被磁珠衰减。
对于串联了磁珠的线路，磁珠的转换点频率越低，线路振荡和波形失真就越大；反之则越小。
除了转换点频率外，磁珠选型还需要考虑额定电流、直流电阻和谐振频率（图2.31中的自共振频率）等因素。与电感类似，磁珠应用于电源电路滤波时，工作电流不能大于其额定电流；磁珠本身具有直流电阻，当电源电路的电流较大时，还应考虑在磁珠上产生的压降。图2.31中，当工作频率高于谐振频率时，磁珠表现出电容性，阻抗迅速减小，因此应选择谐振频率点高的磁珠。此处需要特别注意的是，磁珠的转换点频率和谐振频率，在意义上有所不同。
在磁珠的应用中，许多考虑因素与电感相同，本小节不再就磁珠的应用单独举例。
在高速设计中，磁珠应用的场合越来越多，那么设计中使用磁珠是否会带来副作用？下面就这个问题举一个案例。
【案例2-15】误用磁珠造成过流保护电路失效
单板上某电源Vout由来自背板的电源10V通过DC/DC电源电路产生，并利用电源芯片的电流监控功能实现过流保护，如图2.32所示。在强度测试时发现，即使将0.025Ω电阻换为0.10Ω电阻，也无法关断DC/DC电源芯片的GATE输出。
【讨论】
如图2.33所示为该DC/DC电源芯片的电流监控框图。
该芯片电源监控的原理是利用Vcc引脚和SENSE引脚之间的电阻压降与芯片内部50mV电压源相比较的结果，控制EA（Error Amplifier，偏差放大器）的输出。当电阻压降大于50mV时，EA将GATE关断。通过电阻R阻值的选择，可以设置电源电路正常工作时的极限电流流量，Imax=50mV/R。在本例中，当R=0.025Ω时Imax=2A；强度测试中，01Ω时，Imax=0.5A。对Vout进行电流测试发现，单板稳定工作时，10V电源上的电流为0.8A，电源芯片为何没有检测到过流？
仔细看原理图，发现电流监控和Vout的产生，二条实际上走了两条不同的路径，即10V电源进入单板后，分开两路，一路通过电阻连接到电源芯片的SENSE引脚，一路通过BEADI与MOSFET相连后产生Vout。在这两条中，第一条路径是不耗电流的，第二条路径才是真正需要被监控的。但在本设计中，实际得到监控的是不耗电流的第一条路径。所以在强度测试中，即便将R改为0.1Ω，也不会报警过流。
在电源电路中，设计者往往喜欢串接磁珠以实现滤波，这几乎成了最常规的设计方法，因此往往不加仔细思考。但从这个案例可以看出，过度地使用磁珠也会带来副作用，而且问题往往比较隐蔽。
在改版设计中，将磁珠BEADI去掉，电路修改为图2.34，过流保护功能得以实现。
理解要点：
① 磁珠的转换点频率越低，线路振荡和波形失真越小，反之则越大。
② 磁珠的工作电流不能大于其额定电流。设计中需要考虑到由于直流电阻的存在而造成的压降。
③ 当工作频率高于谐振频率时，磁珠表现出电容性。
④ 磁珠的转换点频率和谐振频率，在意义上有所不同。
2.4.3 磁珠和电感的比较
1. 磁珠与电感的不同点
磁珠与电感不仅在外形上相似，在功能上也存在很多相似之处，甚至在许多场合，磁珠和电感能相互替代。但是磁珠和电感是否完全等同呢？以下就几个方面对两者进行比较。
（1）电感和磁珠都可以用于滤波，但是机理不一样。电感滤波是将电能转换为磁能，磁能将通过两种方式影响电路：一种方式是重新转换回电能，表现为噪声；一种方式是向外部辐射，表现为EMI（电磁干扰）。而磁珠是将电能转换为热能，不会对电路构成二次干扰。
（2）电感在低频段滤波性能较好，但在50MHz以上的频段滤波性能较差；磁珠利用其电阻成分能充分地吸收高频噪声，并将之转换为热能以达到彻底消除高频噪声的目的。
（3）从EMC（电磁兼容）的层面说，由于磁珠能将高频噪声转换为热能，因此具有非常好的抗辐射功能，是常用的抗EMI器件，常应用于用户接口信号线滤波、单板上的高速时钟器件的电源滤波等。
（4）电感和电容构成低通滤波器时，由于电感和电容都是储能器件，因此两者的配合可能产生自激；磁珠是耗能器件，与电容协同工作时，不会产生自激。
（5）一般而言，电感用电流的额定电流相对较大，因此，电感常用于需要通大电流的电源电路上，如用于电源模块滤波；而磁珠一般仅用于芯片级电源滤波（不过，目前市场上已经出现了大额定电流的磁珠）。
（6）磁珠和电感都具有直流电阻，磁珠的直流电阻相对于同样滤波性能的电感更小一些，因此用于电源滤波时，磁珠上的压降更小。
2. 磁珠与电感的共同点
（1）额定电流。当电感的工作电流超过其额定电流时，电感值将迅速减小，但电感器件未必被损坏；而磁珠的工作电流超过其额定电流时，将会对磁珠造成损伤。
（2）直流电阻。用于电源线路时，线路上存在一定的电流，如果电感或磁珠本身的直流电阻较大，则会产生一定压降。因此选型中，都要求选择直流电阻小的器件。
（3）频率特性曲线。电感和磁珠的厂家资料都附有器件频率特性曲线图。在选型中，需要仔细参考这些曲线，以选择合适的器件。