使用電感降低雜訊

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什麼是電感的頻率特性

在進入具體的電感降噪對策解說之前，與介紹“使用電容降低雜訊”時一樣，先來簡單回顧一下電感的頻率特性。

首先，電感（線圈）具有以下基本特性，稱之為“電感的感性電抗”

 ①直流基本上直接流過。
 ②對於交流，起到類似電阻的作用。
 ③頻率越高越難透過。

下面是表示電感的頻率和電阻特性的示意圖。

                               
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在理想電感中，電阻隨著頻率的提高而呈線性增加，但在實際的電感中，如等效電路所示，並聯存在寄生電容EPC，因而會產生自諧振現象。

所以，到諧振頻率之前呈現電感本來的感性特性（電阻隨著頻率升高而增加），但諧振頻率之後寄生電容的影響占主導地位，呈現出容性特性（電阻隨著頻率升高而減小）。也就是說，在比諧振頻率高的頻率範圍，不發揮作為電感的作用。

電感的諧振頻率可透過上述公式求得。除了主體是電容量還是電感量的區別外，該公式與電容的諧振頻率公式基本相同。從公式中可以看出，電感值L變小時諧振頻率會升高。

電感的寄生分量中，除了寄生電容EPC之外，還有電感線圈的電阻分量ESR（等效串聯電阻）、與電容並聯存在的EPR（等效並聯電阻）。電阻分量會限制諧振點的電阻。

重點:

・電感在諧振頻率之前呈現感性特性（電阻隨頻率升高而增加）。

・電感在諧振頻率之後呈現容性特性（電阻隨頻率升高而減小）。

・在比諧振頻率高的頻段，電感不發揮作為電感的作用。

・電感值L變小時，電感的諧振頻率會升高。

・電感的諧振點電阻受寄生電阻分量的限制。

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使用電感的降噪對策

僅使用電容無法充分消除雜訊時，可以考慮使用電感。降噪對策中使用的電感大致有兩種。

 ①線圈型電感：構成濾波器。
 ②鐵氧體磁珠：將雜訊轉換為熱。

電感和鐵氧體磁珠的電阻特性

在進入使用電感和鐵氧體磁珠降噪的對策介紹之前，先來瞭解一下它們的基本特性。雖然鐵氧體磁珠被歸類為電感，但其頻率－電阻特性與普通電感不同。

                               
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鐵氧體磁珠與普通電感相比，具有電阻分量R較大、Q值較低的特性。利用該特性可消除雜訊。

另外，直流電流特性也不同。

                               
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普通的電感可額定較大的直流疊加電流，只要在其範圍內，電阻不怎麼受直流電流的影響，諧振點也幾乎不變。相比之下，鐵氧體磁珠對於直流電流容易飽和，飽和會導致電感值下降，諧振點向高頻段轉移。這會導致濾波器特性變化，因此需要特別注意。

下面開始介紹使用電感和鐵氧體磁珠降低雜訊的對策。

①線圈型電感：構成濾波器

下面是關於使用了電感的π型濾波器的介紹。在低頻段，因電感和電容而發揮低通濾波器的作用。到了高頻段，由於電感會變現為電容、電容會表現為電感，從而π型濾波器起到高通濾波器的作用，因此無法獲得雜訊消除效果。

                               
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②鐵氧體磁珠：將雜訊轉換為熱

鐵氧體磁珠在低頻段基本上也起到低通濾波器的作用。但是，如前所述，在這個頻段對於直流電流容易飽和，使用這種電感值下降的鐵氧體磁珠很難消除目標頻段的雜訊。

接下來請看右側的曲線圖。電抗降低並存在與電阻分量交叉的點。當超過這個被稱為“交叉點”的頻段後，鐵氧體磁珠將起到電阻的作用，具有將雜訊轉換為熱的功能。這是與內建線圈型電感的濾波器之間的巨大差異。而在更高頻段，則與線圈型電感相同，發揮高通濾波器的作用。

                               
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使用了鐵氧體磁珠的濾波器，不僅可將雜訊旁路消除，還可將雜訊轉換為熱，因此有望實現優異的雜訊消除性能。但是，需要注意其直流偏置電流特性。

重點:

・用於降噪對策的電感，大致可以分為繞組型電感構成的濾波器和利用鐵氧體磁珠進行熱轉換兩種。

・鐵氧體磁珠與普通電感相比，具有電阻分量R較大、Q值較低的特性。

・普通的電感可容許較大的直流疊加電流，只要在其範圍內，電阻不怎麼受直流電流的影響。

・鐵氧體磁珠對於直流電流容易飽和，飽和會導致電感值下降，諧振點向高頻段轉移。

・普通電感構成的濾波器，可選電感值的範圍較寬。

・鐵氧體磁珠的Q值較低，因此在較寬頻率範圍內具有有效的降噪效果。

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共模濾波器

共模濾波器的結構是兩個線圈繞在一個磁芯上，相當於兩個電感組合在一起（見下圖）。當線圈中流過電流時，磁芯產生磁通，針對急劇的電流變化，起到使電流不易流通（扼流）的作用。這與電感的自感作用相同。

                               
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共模濾波器基本上起到共模電流不流通、差模電流流通的作用。關鍵在於這2根導線沿同一方向繞在一個磁芯上。

如圖所示，差模電流是在2根導線上往復流動，因此磁芯產生的磁通方向相反，磁通抵消，因此不能起到扼流作用，而是直接通過。

相比之下，共模電流的流向相同，因此磁通量增強，電流不易流過。也就是說，共模電流＝共模雜訊難以通過，被濾除。

                               
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使用共模濾波器降低雜訊的對策

由於這裡提到開關電源的雜訊，因此在下面給出作為電源的輸入濾波器使用的範例。

                               
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該圖是在“開關電源的輸入濾波器”中使用過的圖，如圖所示在電源的輸入線插入共模濾波器。與用於訊號線的共模濾波器相比，用於電源線的共模濾波器使用差模電阻較大的分裂線圈結構的。這些產品一般作為電源線用共模濾波器推出，其差模雜訊消減效果也值得期待。但是，由於幾百k～幾MHz左右的差模電阻非常低，因此一般與π型濾波器等差模雜訊用的濾波器並用。

重點:

・使用共模濾波器消除對共模雜訊。

・共模濾波器是利用自感作用來阻止共模電流通過的濾波器。

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串擾

串擾是因電路板佈線間的雜散電容和互感，雜訊與相鄰的其他電路板佈線耦合，這在“何謂串擾”中已經介紹過。下面是LC濾波器的佈局佈局和零件配置帶來的串擾及其對策範例。

                               
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在左側的佈局示例中，VCC線路中有LC濾波器，濾波器後的佈線與含有濾波器前的雜訊的佈線相鄰，因此雜訊因串擾而耦合，濾波效果下降。右側為對策示例，採用了不與含有雜訊的線路相鄰的佈局，從而可將雜訊耦合控制在最低限度內。

GND線反彈雜訊

在該示例中可以看出，在使用了π型濾波器的電感前後所配置的電容，其GND的設定方法可能會帶來地線反彈雜訊。在左圖示例中，如箭頭所示，來自GND的雜訊經由電容回流，並去到了濾波器外面。

                               
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在這種情況下，為了避免雜訊直接傳播，可利用Via的寄生電感的手法，經由過孔（Via）與GND平面連接，改善效果較好。

經常聽到“在開關電源電路中，PCB板佈局是非常重要的”，的確非常重要。這裡面包含著佈局訣竅。在Tech Web的“DC/DC轉換器的PCB板佈局”一文中，介紹了PCB板佈局的基礎，建議一併閱讀。

重點:

・有些PCB板佈線佈局，會因串擾而導致濾波效果下降。

・π型濾波器的電容的GND的某些設置方法可能會帶來地線反彈雜訊。

・優化PCB板佈線佈局可避免這些問題。