了解互感及其如何影響工程師的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

什么是互感？

如果您曾經(jīng)使用過變壓器，那么您就熟悉互感。這個名字可能有點(diǎn)誤導(dǎo);它似乎指的是電感本身的共享，就好像兩個線圈在你將它們安排得非常接近時(shí)會失去它們自己的物理電感特性。我會說互感不是指電感的共用，而是指電感的相互作用：一個線圈的電氣特性會影響附近線圈的電氣特性。

毫無疑問，變壓器是互感的一個非常重要的應(yīng)用，但這種現(xiàn)象還有其他與電子電路和系統(tǒng)（即不僅僅是變壓器設(shè)計(jì)人員）合作的人有關(guān)的其他影響。

無意的變形金剛

讓我們用一個三段論開始本節(jié)：

前提：一個由兩個相鄰的線圈就是我們所說的變壓器。

前提：分立式電感器是一個線圈。

Ergo，如果我們將離散電感器放置得非常接近，我們就會創(chuàng)建一個變壓器。

如果考慮通過變壓器初級繞組的電流影響的程度在次級繞組的電氣條件下，問題很明顯：離散電感器可以是將噪聲和干擾從一個信號耦合到另一個信號的有效手段。當(dāng)電路如此緊湊時(shí)，這尤其成問題。

例如，假設(shè)您有一塊帶有必須數(shù)字化的關(guān)鍵傳感器信號的小電路板。您決定使用LC低通用于抗混疊濾波器。該電路板的電源是開關(guān)穩(wěn)壓器。在你的想法中，你沒有在抗混疊濾波器和電源電路之間建立連接，但由于最終的設(shè)備需要不比火柴盒大很多，所以所有部件最終會在一個小的兩個上堵塞在一起在將PCB發(fā)送到晶圓廠之前，請先了解哪些元件在哪里。切換器的電感是否最終位于抗混疊濾波器中的電感旁邊？或者它們可能是垂直相鄰的，即一個電感器位于底側(cè)另一個電感器正上方的頂側(cè)？ （接地層可能會降低互感的影響，但物理上屏蔽高頻磁場并不容易。）

如果布局限制使得物理上分離電感器變得不切實(shí)際，則可以“磁性分離” “他們通過相對的方向。當(dāng)線圈平行布置時(shí)，磁耦合最大化。如果你有兩個電感器，讓一個垂直于另一個。如果你有三個靠近的電感，兩個可以垂直，第三個可以是45°角。

降低電感

當(dāng)電流路徑的兩個“源”和“吸收”部分非常接近時(shí)，會發(fā)生互感現(xiàn)象的有趣表現(xiàn)。通過“源”和“下沉”，我的意思是路徑的一部分具有沿向外方向（即，從源到負(fù)載）流動的電流，而另一部分具有在向內(nèi)方向上流動的電流（即，從負(fù)載返回來源）。實(shí)際上，通過將源極和吸收導(dǎo)體彼此靠近來降低電流路徑的總電感，這種較低的電感可以轉(zhuǎn)化為更好的高頻性能。

減少（不需要的）耦合

上一節(jié)中討論的低電感布置也會導(dǎo)致物理上的更小的電流回路，這帶來了額外的好處。一個電流回路和附近電流回路之間的互感導(dǎo)致無意的耦合。這讓我想起了我差不多二十年前配備音頻接收器的方形磁環(huán)天線。從電學(xué)的角度來看，環(huán)形天線就像是與傳輸?shù)碾姶判盘柕拇判圆糠窒嗷プ饔玫木€圈。

如果你試圖收聽收音機(jī)，那么大環(huán)路是好的，但是如果你不那么好我試圖在電子設(shè)備中保持信號完整性。如果您不希望來自一個子電路的信號與另一個子電路中的信號混合，您可以通過減少互感來減少耦合，并且可以通過形成物理上更小的電流環(huán)來減少互感。

改善互連

你有沒有想過為什么電纜有時(shí)會包含多個接地連接？在某些情況下，需要使用多根接地線來安全地承載所有返回電流，但在低電流應(yīng)用中，它們有助于防止相鄰導(dǎo)體之間過度的互感耦合。

如果距離很遠(yuǎn)在導(dǎo)體和最近的返回導(dǎo)線之間，該導(dǎo)體的電流路徑將具有大的環(huán)路面積。相鄰導(dǎo)體也將具有相似尺寸的環(huán)形區(qū)域（稍大或略小，取決于返回線的位置）。因此，互感將很高。您可以通過在整個電纜中分配接地線來減小回路的尺寸，如果您真的想要最小化互感，則可以將每條信號線與回線配對。

結(jié)論

在本文中，我們回顧了互感的一些實(shí)際意義。您可以通過在設(shè)計(jì)PCB和互連時(shí)牢記這一現(xiàn)象來提高信號完整性和系統(tǒng)可靠性，特別是在這個無情小型化的時(shí)代 - 隨著設(shè)備變得越來越小，越來越少的PCB空間可用于確保充分分離在電流回路和電感元件之間。如果您想深入研究與PCB布局相關(guān)的微妙問題，我建議使用兩種資源來幫助我制定本文中的信息：一個是Maxim的應(yīng)用筆記，另一個是ADI公司出版的書籍章節(jié)。