使用电感降低噪声

电感的频率特性

本文开始介绍“使用电感降低噪声的对策”。

什么是电感的频率特性

在进入具体的电感降噪对策解说之前，与介绍“使用电容器降低噪声”时一样，先来简单回顾一下电感的频率特性。

首先，电感（线圈）具有以下基本特性，称之为“电感的感性电抗”

①直流基本上直接流过。
②对于交流，起到类似电阻的作用。
③频率越高越难通过。

下面是表示电感的频率和阻抗特性的示意图。

在理想电感器中，阻抗随着频率的提高而呈线性增加，但在实际的电感器中，如等效电路所示，并联存在寄生电容EPC，因而会产生自谐振现象。

所以，到谐振频率之前呈现电感本来的感性特性（阻抗随着频率升高而增加），但谐振频率之后寄生电容的影响占主导地位，呈现出容性特性（阻抗随着频率升高而减小）。也就是说，在比谐振频率高的频率范围，不发挥作为电感的作用。

电感的谐振频率可通过上述公式求得。除了主体是电容量还是电感量的区别外，该公式与电容的谐振频率公式基本相同。从公式中可以看出，电感值L变小时谐振频率会升高。

电感的寄生分量中，除了寄生电容EPC之外，还有电感绕组的电阻分量ESR（等效串联电阻）、与电容并联存在的EPR（等效并联电阻）。电阻分量会限制谐振点的阻抗。

使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策

上部分介绍了电感的基本特性。本部分将介绍实际的噪声对策，并通过与铁氧体磁珠（电感大家族的成员，同样经常被用于降噪对策）的比较来展开话题。

使用电感的降噪对策

仅使用电容无法充分消除噪声时，可以考虑使用电感。降噪对策中使用的电感大致有两种。

①绕组型电感：构成滤波器
②铁氧体磁珠：将噪声转换为热

电感和铁氧体磁珠的阻抗特性

在进入使用电感和铁氧体磁珠降噪的对策介绍之前，先来了解一下它们的基本特性。虽然铁氧体磁珠被归类为电感，但其频率－阻抗特性与普通电感不同。

铁氧体磁珠与普通电感相比，具有电阻分量R较大、Q值较低的特性。利用该特性可消除噪声。

另外，直流电流特性也不同。

普通的电感可容许较大的直流叠加电流，只要在其范围内，阻抗不怎么受直流电流的影响，谐振点也几乎不变。相比之下，铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和，饱和会导致电感值下降，谐振点向高频段转移。这会导致滤波器特性变化，因此需要特别注意。

下面开始介绍使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策。

①绕组型电感：构成滤波器

下面是关于使用了电感的π型滤波器的介绍。在低频段，因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。到了高频段，由于电感会变现为电容、电容会表现为电感，从而π型滤波器起到高通滤波器的作用，因此无法获得噪声消除效果。

②铁氧体磁珠：将噪声转换为热

铁氧体磁珠在低频段基本上也起到低通滤波器的作用。但是，如前所述，在这个频段对于直流电流容易饱和，使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。

接下来请看右侧的曲线图。电抗降低并存在与电阻分量交叉的点。当超过这个被称为“交叉点”的频段后，铁氧体磁珠将起到电阻的作用，具有将噪声转换为热的功能。这是与内置绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。而在更高频段，则与绕组型电感相同，发挥高通滤波器的作用。

使用了铁氧体磁珠的滤波器，不仅可将噪声旁路消除，还可将噪声转换为热，因此有望实现优异的噪声消除性能。但是，需要注意其直流偏置电流特性。

使用共模滤波器降低噪声的对策

作为使用电感的降噪对策之一，本部分将介绍使用共模滤波器降噪的内容。从严格意义上讲，共模滤波器并不是电感器，而是磁性器件，是降噪对策中的重要部件。

共模滤波器

共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上，相当于两个电感组合在一起（见下图）。当绕组中流过电流时，磁芯产生磁通，针对急剧的电流变化，起到使电流不易流通（扼流）的作用。这与电感的自感作用相同。

共模滤波器基本上起到共模电流不流通、差模电流流通的作用。关键在于这2根导线沿同一方向绕在一个磁芯上。

如图所示，差模电流是在2根导线上往复流动，因此磁芯产生的磁通方向相反，磁通抵消，因此不能起到扼流作用，而是直接通过。

相比之下，共模电流的流向相同，因此磁通量增强，电流不易流过。也就是说，共模电流＝共模噪声难以通过，被滤除。

使用共模滤波器降低噪声的对策

由于这里提到开关电源的噪声，因此在下面给出作为电源的输入滤波器使用的示例。

该图是在“开关电源的输入滤波器”中使用过的图，如图所示在电源的输入线插入共模滤波器。与用于信号线的共模滤波器相比，用于电源线的共模滤波器使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的。这些产品一般作为电源线用共模滤波器推出，其差模噪声消减效果也值得期待。但是，由于几百k～几MHz左右的差模阻抗非常低，因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。

注意点 : 串扰、GND线反弹噪声

这之前作为使用电感的降噪对策，介绍了电感和铁氧体磁珠、共模滤波器。本部分将主要介绍PCB板布局相关的注意事项。

串扰

串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感，噪声与相邻的其他电路板布线耦合，这在“何谓串扰”中已经介绍过。下面是LC滤波器的图形布局和部件配置带来的串扰及其对策示例。

在左侧的布局示例中，VCC线路中有LC滤波器，滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻，因此噪声因串扰而耦合，滤波效果下降。右侧为对策示例，采用了不与含有噪声的线路相邻的布局，从而可将噪声耦合控制在最低限度内。

GND线反弹噪声

在该示例中可以看出，在使用了π型滤波器的电感前后所配置的电容，其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。在左图示例中，如箭头所示，来自GND的噪声经由电容回流，并去到了滤波器外面。

在这种情况下，为了避免噪声直接传播，可利用Via的寄生电感的手法，经由过孔（Via）与GND平面连接，改善效果较好。

经常听到“在开关电源电路中，PCB板布局是非常重要的”，的确非常重要。这里面包含着布局诀窍。

小结

这之前作为“使用电感的降噪对策”，介绍了“电感和铁氧体磁珠”、“共模滤波器”，作为注意事项，介绍了“串扰和GND线反弹噪声”。本部分将按照与“使用电容器的降噪对策”相同的方式进行总结。

使用电感的降噪对策总结

1. 使用电感的降噪对策

• 仅用电容无法充分消除噪声时，可考虑使用电感。
• 降噪对策中使用的电感大致有两种。
  ①绕组型电感：组成滤波器
  ②铁氧体磁珠：将噪声转换为热。

2. 电感和铁氧体磁珠的阻抗特性

• 虽然铁氧体磁珠被归类为电感，但其频率－阻抗特性与普通电感不同。
• 铁氧体磁珠与普通电感相比，具有电阻分量R较大、Q值较低的特性，因此可利用该特性消除噪声。
• 普通的电感可容许较大的直流叠加电流，只要在其范围内，阻抗不怎么受直流电流的影响。
• 请注意，铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和，饱和会导致电感值下降，谐振点向高频段转移，滤波特性产生变化。

3. 使用绕组型电感的降噪对策：组成滤波器

• 普通电感构成的滤波器，可选电感值的范围较宽。
• 使用电感的Π型滤波器，在低频段，因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。
• 到了高频段，由于电感会表现为电容、电容会表现为电感，从而π型滤波器起到高通滤波器的作用，因此无法获得噪声消除效果。

4. 使用铁氧体磁珠的降噪对策：将噪声转换为热

• 铁氧体磁珠的Q值较低，因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。
• 铁氧体磁珠在低频段基本上发挥低通滤波器的作用，在这个频段，对于直流电流容易饱和，因此使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。
• 当电抗下降且越过与电阻分量的交叉点时，铁氧体磁珠发挥电阻的作用，可将噪声转换为热。
• 使用了铁氧体磁珠的滤波器，不仅可将噪声旁路消除，还可将噪声转换为热，因此有望实现优异的噪声消除性能。
• 发挥电阻功能且将噪声转换为热，是与使用绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。
• 在更高频段，则与绕组型电感相同，发挥高通滤波器的作用。

5. 共模滤波器

• 从严格意义上讲，共模滤波器并不是电感器，但在降噪对策中它是重要的磁性器件。
• 共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上，相当于两个电感组合。
• 共模滤波器是利用自感作用来阻止共模电流通过（斩波），从而消除共模噪声。
• 共模电流不流通、差模电流流通。

6. 使用共模滤波器的降噪对策

• 作为开关电源的输入滤波器使用时，要使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的共模滤波器。
• 这种滤波器一般作为电源线用共模滤波器销售。
• 虽然其差模噪声消除效果也值得期待，但是由于几百k～几MHz左右的差模阻抗非常低，因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。

7. 串扰相关的注意事项

• 有些PCB板布线布局，会因串扰而导致滤波效果下降。
• 串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感，噪声与相邻的其他电路板布线耦合。
• 滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻时，噪声因串扰而耦合，滤波效果下降。
• 作为对策，采用不与含有噪声的线路相邻的布局，可将噪声耦合控制在最低限度内。

8. GND线反弹噪声相关的注意事项

• 在使用了Π型滤波器的电感前后所配置的电容，其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。
• 作为对策，为了避免噪声直接传播，可利用Via的寄生电感的手法，经由过孔（Via）与GND平面连接，改善效果较好。