回路電感
關注創建者：匿名 創建時間：2022-07-07
回路電感的實例教程
此外，任何寄生電感都可能產生與反饋機制耦合的諧振，從而只會使電流不平衡的情況變得更糟。在這種情況下，PCB 設計人員必須特別注意要降低寄生電感。
電路板寄生現象對 SiC 電路的負面影響
SiC 電路中的寄生電感和電容
首先，SiC MOSFET 具有理想的固有低寄生電容（CGD、CDS、CGS）。這種特性支持高開關頻率，因此有助于實現高功率密度設計。但是，與這種好處如影隨形的是，在布局中不可避免地容易受到寄生電感諧振影響的情況。寄生電感本身可存在于應用電路的柵極回路 (LGS) 和功率回路 (LDS) 以及共源極電感 (LCS) 之中。如之前所述，導致這些電感的因素包括走線長度很長，以及器件引線之間的電感。
柵極回路電感會增加柵極電壓的振鈴，這反過來又會增加導通延遲，并且在某些情況下，會導致 MOSFET 的漏極-源極電壓發生振蕩振鈴。通常，應最大限度地減小柵極回路電感以避免 MOSFET 的誤工作，但這種寄生電感的影響是三種主要寄生電感中最小的。
整個器件的過沖電壓通常由功率回路電感（有時也稱為開關回路電感）造成，而這會產生高開關損耗。共源極電感會在開關瞬變過程中產生對柵極驅動的電壓反饋，抵消柵極電壓的變化并減慢漏極電流，從而顯著增加導通和關斷時的開關損耗。[1] 此外，并聯器件之間微小的寄生 LCS 不匹配情況也會在開關瞬變過程中造成電流不平衡，從而放大負柵電壓反饋的影響。
設計 PCB 時，不可能完全消除所有寄生電感和電容。但是，一些常用技術可以幫助最大限度地減小這些電感和電容。
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相比于硬件工程師，PCB工程師對環路電感更敏感，因為環路電感和走線強相關，不管是信號完整性還是電源完整性都有涉及，一旦走線確定，環路電感也隨之確定，如果環路電感初期評估失誤將會給后期改版帶來巨大風險。
然而并不是所有人都清楚這個詞背后的物理意義。
我們從自感、互感，最后再到環路電感進行完整的介紹，徹底搞懂環路電感，從根本上認識我們的走線對于環路電感的影響，以及如何優化PCB走線來減小環路電感。
自感
自感這個概念我們高中就學過，指的是當一個線圈中通入變化的電流，根據電磁感應原理，線圈會產生感應電動勢阻礙這個變化的電流。下圖中紅色是輸入的電流和它所產生的磁場方向，藍色的是感應出來的電流和磁場方向，感應的電流和原始電流方向相反，進而產生阻抗。
自感可以理解為對交變電流的阻礙程度，自感越大，對電流的阻礙程度就越高，換句話說，相同頻率下，電感量越高，則阻抗越大。
我們平時用的電感元件內部一般就是繞線制作的，這個電感就是自感，下圖是典型的多層電感器示意圖。
互感
互感反應的是兩個線圈彼此之間的作用，當兩個線圈彼此靠近時，一個線圈中通入變化的電流，會在另一個線圈中產生感應電動勢，如果這個線圈有閉合回路，就會產生感應電流。
走線自感、互感
PCB走線也存在自感與互感，其形成原因與上面基本一致。一段導線中通入變化的電流，會在自身的導電平面上產生自感，同時又會在相鄰平面上產生互感，自感與互感相疊加共同作用于信號。
展開 因為在高速信號領域，電感的理解比電容更難，存在多種電感的概念，比如：自感、互感、局部電感、回路電感，尤其是回路電感，這就涉及到信號路徑和信號的返回路徑概念，比較抽象，因此可以摒棄電感，只考慮電容對阻抗的影響。
電容的理解就很簡單了，它是兩個物體之間的固有屬性，跟物體的尺寸和材料屬性密切相關，根據公式可以知道，高介電常數的材料電容大，相對面積大，電容也大，間距大，電容就小。對于同軸，它的電容就是內導體和外導體之間的互容C11。
同軸內導體半徑r1對電容和阻抗的影響
從上面的闡述可以知道，如果同軸的內導體半徑r1在增大，它與外導體的相對面積就會增大，同時跟外導體的間距也會減小，這都將導致電容C11增大，自然同軸的特征阻抗就會變小，你可以用Q2D很輕松的完成這個驗證，參考下面兩圖。
同軸外導體半徑r2對電容和阻抗的影響
如果同軸外導體半徑r2增大，自然互容C11會減小，那么阻抗隨之增大，參考下面兩圖：
總之，從互容的角度來調整阻抗是非常直觀而且方便的，毋庸考慮抽象的電感的影響。
下面繼續分析同軸線的第一個變種，微帶線，它跟GND的互容可以直觀展示如下：C=C11+C12+C13，其中C11可認為是正對GND plane的電容，C11和C13可當作是側對GND plane的電容。其實C12和C13真正的物理概念是邊緣場電容，為避免抽象的物理概念，我們簡化為側邊對地電容。
展開 首先解決上回的疑問，怎么操作才能降低di/dt，是不是在開關關斷期間建立一個回路，那建立回路我們加一個電阻試試看怎么樣，如圖一示有了回路，電流降低到零的時間dt就增大了，那di/dt就小多了，這個回路稱為續流回路。
（▲圖一）
（▲圖二）
我們看一下這個續流回路當開關ON期間，回路是什么樣的,當開關ON時，回路如圖二示，有兩個回路電阻這一個回路會消耗能量，而且降低開關電源的效率，我們希望開關ON期間只有一個回路通過電感，給電容充電即可，來看一下開關OFF期間，如圖三示此時續流開始，源是電感，電感作為電流源存在，在續流期間，從電感右端出發通過電容到地經過電阻回到電感的左端，這個過程中電阻同樣在消耗能量，而且有電流流過電阻就會有壓降，同樣會在電感左端產生一個不小的負壓，這并不是我們想要的結果。
綜合開關ON和OFF期間的需求來說，我們希望在ON期間只有一條回路通過電感給電容充電，電感左端對地不能導通，而且電阻會增加功耗是不可取的，在OFF期間續流回路產生我們需要電感左端的負壓要低，此時結論已出，單向導通嘛，那二級管就呼之欲出了，單向導通又能鉗位負壓一舉兩得，非它莫屬，那我們看一下加入續流二極管的電路圖，如圖四所示。
（▲圖三）
（▲圖四）
繼續分析續流回路，看圖五示在開關OFF期間產生續流回路，會電感上感應出一個左負右正的感應電動勢，根據續流回路分析電感右端接電容正極，電壓等于電容上電壓，電流從電感的正極流過電容到地經過二極管回到電感負極，地上電壓為0V，那二極管要想導通，電感負端電壓是不是等于-0.7V如圖六示，那開關管兩端的壓降是多少？
展開 在低頻時，RLC 電路的阻抗取決于理想電容，在高頻時則取決于理想電感。而理想電阻則決定了 RLC 的最低阻抗。
簡單點，分為電感和電容的兩個部分。相關公式為：
注意其和截止頻率公式區分。
電感方面考慮封裝引腳、過孔和擴散電感等共同作用。
封裝引腳是串聯在芯片焊盤到電路板焊盤之間，可能有數百個電源／地平面對，開關數量的不同，封裝引腳電感是變化的，一般不超過1 nH。還有過孔及電源／地平面上運送電流過程中的擴散電感，共同決定了回路電感。
當然，這里面過孔與過孔之間，平面之間，表層傳輸線之間等，這些情況的回路電感，這里就不做展開。
電容方面從擺放位置、電容容值&個數、反諧振三個方面來說。不同的容值，不同封裝，耦合半徑的不同，所以擺放的位置需要考慮。還有，電容器的相關組合，擺放位置都是盡量靠近封裝，那是因為電流重疊，擴散電感增加，電容器擺放可以減小增加量。
所以，電容器組合對電源分配網絡阻抗曲線的影響，在很大程度上取決于擺放在PCB板上位置。
電容除了擺放位置還要分為容值相同和容值不同的兩種情況。在通常的板級應用中，使用較少個數的不同容值的電容器（而不是使用相同容值的電容器）往往能使阻抗最低的原因。為了使電容器的個數最少 ，一般選擇不同的容值。
選擇不同容值的電容器，還有一個原因：反諧振。容值的不同，自諧振頻率也不同，電容之間的并聯，讓其之間有一個新的特性，即阻抗的峰值，稱為并聯諧振峰值，它發生在并聯諧振頻率( Parallel Resonant Frequency, PRF)處。這時候就需要添加一個其自諧振頻率介于它們之間的電容器加以降低。
需要注意的是，當需要采用多個電容并聯來滿足容值要求時，最好采用同類型的電容進行并聯。這里的同類型是指封裝。
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當開關斷開后，沒有了電流的回路，那么電感中還有存儲的能量沒有?
---沒有吧?開關斷開瞬間，由于電感保持電流特性，會產生很大的反動電勢，開關處會產生瞬間高壓(電弧)。
從能量來說：斷開開關，磁場能消失，轉化為電場能 看起來就是電感中電流會變小 開關兩端電壓則會升高。
微通道散熱器采用低溫共燒陶瓷(LTCC)制成，由于 press-pack 封裝沒有內部絕緣，熱沉的引入增大了回路的寄生電感，上下兩側的微通道散熱器設計可提供足夠的散熱能力，同時外形上厚度較薄可降低功率回路的電感。微通道散熱器的電氣回路和冷卻回路分離，可以使用非介電流體進行冷卻。
總電壓為220V，串接電阻為0.4Ω，分區磁場為0.05mT(導電桿中間為磁場分割線，分割線兩端的磁場大小相同，方向相反)，動觸頭0.5[ms]內的旋轉10°；
整個電弧的運動過程如下圖所示；查看電弧電壓隨時間的變化，1.5[ms]電弧進入滅弧室被分割多段，電弧電壓明顯上升，熄弧后電壓值恢復開路電壓狀態；
實際上電弧電壓波形不是這樣，這是因為仿真忽視了導電回路的電感與自感
在高壓3.3kV IGBT以上規格書中已經對FWD正向導通時間ton進行了明確定義和需求，以2400A/3.3kV HE3為例如下，其已經明確給出最小二極管導通時間10us作為限制，這主要是大功率應用中系統回路雜散電感比較大，開關時間比較長，在器件開通過程中瞬時容易超過二極管最大允許功耗PRQM。
綜合開關ON和OFF期間的需求來說，我們希望在ON期間只有一條回路通過電感給電容充電，電感左端對地不能導通，而且電阻會增加功耗是不可取的，在OFF期間續流回路產生我們需要電感左端的負壓要低，此時結論已出，單向導通嘛，那二級管就呼之欲出了，單向導通又能鉗位負壓一舉兩得，非它莫屬，那我們看一下加入續流二極管的電路圖，如圖四所示。
還有過孔及電源／地平面上運送電流過程中的擴散電感，共同決定了回路電感。
當然，這里面過孔與過孔之間，平面之間，表層傳輸線之間等，這些情況的回路電感，這里就不做展開。
電容方面從擺放位置、電容容值&個數、反諧振三個方面來說。不同的容值，不同封裝，耦合半徑的不同，所以擺放的位置需要考慮。
原文來自微信公眾號：工程師看海
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（3） SKiN封裝：德國Semikron公司采用納米銀燒結和SKiN布線技術，采用柔性 PCB板取代鍵合線實現芯片的上下表面電氣連接，模塊內部回路寄生電感僅為1.5 nH。
變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容;電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。
04、為什么變頻器的電壓與頻率成比例的改變?
任何電動機的電磁轉矩都是電流和磁通相互作用的結果，電流是不允許超過額定值的，否則將引起電動機的發熱。
地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號返回路徑，其實在信號回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機理是一致的，即高頻信號總是沿著電感最小的回路進行回流，最大的區別在于差分線除了有對地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強，哪一種就成為主要的回流通路。
