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(guò)變壓器，那么您就熟悉互感。這個(gè)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(gè)線圈在你將它們安排得非常接近時(shí)會(huì)失去它們自己的物理電感特性。我會(huì)說(shuō)互感不是指電感的共用，而是指電感的相互作用：一個(gè)線圈的電氣特性會(huì)影響附近線圈的電氣特性。

毫無(wú)疑問(wèn)，變壓器是互感的一個(gè)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(wú)意的變形金剛

讓我們用一個(gè)三段論開(kāi)始本節(jié)：

前提：一個(gè)由兩個(gè)相鄰的線圈就是我們所說(shuō)的變壓器。

前提：分立式電感器是一個(gè)線圈。

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

如果考慮通過(guò)變壓器初級(jí)繞組的電流影響的程度在次級(jí)繞組的電氣條件下，問(wèn)題很明顯：離散電感器可以是將噪聲和干擾從一個(gè)信號(hào)耦合到另一個(gè)信號(hào)的有效手段。當(dāng)電路如此緊湊時(shí)，這尤其成問(wèn)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(hào)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。在你的想法中，你沒(méi)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(huì)在一個(gè)小的兩個(gè)上堵塞在一起在將PCB發(fā)送到晶圓廠之前，請(qǐng)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(gè)電感器位于底側(cè)另一個(gè)電感器正上方的頂側(cè)？ （接地層可能會(huì)降低互感的影響，但物理上屏蔽高頻磁場(chǎng)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(guò)相對(duì)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(gè)電感器，讓一個(gè)垂直于另一個(gè)。如果你有三個(gè)靠近的電感，兩個(gè)可以垂直，第三個(gè)可以是45°角。

降低電感

當(dāng)電流路徑的兩個(gè)“源”和“吸收”部分非常接近時(shí)，會(huì)發(fā)生互感現(xiàn)象的有趣表現(xiàn)。通過(guò)“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(dòng)的電流，而另一部分具有在向內(nèi)方向上流動(dòng)的電流（即，從負(fù)載返回來(lái)源）。實(shí)際上，通過(guò)將源極和吸收導(dǎo)體彼此靠近來(lái)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(huì)導(dǎo)致物理上的更小的電流回路，這帶來(lái)了額外的好處。一個(gè)電流回路和附近電流回路之間的互感導(dǎo)致無(wú)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(lái)看，環(huán)形天線就像是與傳輸?shù)碾姶判盘?hào)的磁性部分相互作用的線圈。

如果你試圖收聽(tīng)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(hào)完整性。如果您不希望來(lái)自一個(gè)子電路的信號(hào)與另一個(gè)子電路中的信號(hào)混合，您可以通過(guò)減少互感來(lái)減少耦合，并且可以通過(guò)形成物理上更小的電流環(huán)來(lái)減少互感。

改善互連

你有沒(méi)有想過(guò)為什么電纜有時(shí)會(huì)包含多個(gè)接地連接？在某些情況下，需要使用多根接地線來(lái)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(guò)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(guò)在整個(gè)電纜中分配接地線來(lái)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(hào)線與回線配對(duì)。

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(guò)在設(shè)計(jì)PCB和互連時(shí)牢記這一現(xiàn)象來(lái)提高信號(hào)完整性和系統(tǒng)可靠性，特別是在這個(gè)無(wú)情小型化的時(shí)代 - 隨著設(shè)備變得越來(lái)越小，越來(lái)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(wèn)題，我建議使用兩種資源來(lái)幫助我制定本文中的信息：一個(gè)是Maxim的應(yīng)用筆記，另一個(gè)是ADI公司出版的書(shū)籍章節(jié)。