电感的Q值知多少

周二, 10 十一月 2020 - 10:12

电感Q值，也是电感的基本参数之一。不过在DCDC电路设计中，我们很少去考虑它，厂家一般也不会标注。那么电感的Q值到底是什么意思呢？我们什么时候要考虑呢？

还有这几个问题：

①为什么DC-DC电路设计中，为了降低发热，一般只考虑DCR，而不考虑电感Q值呢？

②功率电感的Q值曲线是怎么样的？

③电感的Q值在自谐振频率处是最大的吗？

④电感的Q值是越大越好吗？

电感的Q值定义

电感的Q值也叫作品质因数，其为无功功率除以有功功率。简单理解的话，就是在一个信号周期内，无功功率为电感存储的能量，有功功率为电感消耗的能量。\

因此，电感Q值主要衡量的是损耗情况。为什么这么说呢？

理想电感本身是不能消耗能量的，而实际的电感是有损耗的。电感在一个充放电周期内，储存并释放的能量为无功能量，而因为这个过程额外损耗的能量就是有功能量，损耗的能量主要作为热量耗散。而两者的比值就是电感的Q值。所以电感的Q值越高，损耗越小。

电感一般使用频率远小于其自谐振频率，因此寄生电容可以忽略，此时无功功率主要由电感产生，所以Q等于wL除以Rs。

需要注意的是，这里的Rs并不是电感的直流导通电阻Rdc，它包含了电感的所有损耗，我们可以称之为等效串联总电阻。

总电阻Rs包括这几个分量：电感线圈的直流导通电阻Rdc；磁芯材料磁滞损耗和涡流损耗；趋肤效应造成的损耗（不同频率的损耗电阻Rac不同）。

实际上，Q值的提高往往受到一些因素的限制，如导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗、铁芯和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。因此，线圈的Q值不可能做得很高，通常Q值为几十至一百。

功率电感为什么不考虑Q值

从前面Q值的定义看出，Q值越小，损耗越高，而DCDC中电感选型我们从来没有说要考虑电感Q值，而仅仅只考虑DCR，这是为什么呢？

在BUCK电路中，负载所获得的能量都是经过电感，而电感电流可以看作是直流Idc上面叠加交流Iac，所以从电感输送过去的能量可以看作是两部分。一部分是直流电，一部分是交流电。

能量等于功率乘以时间，所以一个时间周期传输的能量大小分别对应图中的面积大小。

Buck电路设计中，一般交流电流Iac的峰峰值为电感平均电流的30%左右，因此，我们可以得到，直流电能量占总传递能量的85%，而交流能量占15%。

尽管我们一般并不知道功率电感的Q值是多少，但是电感在开关频率处的Q值总不会小于10。而即使我们让Q等于10来计算，交流电流来的损耗也不过1.5%左右。事实上，我上村田官网查询了功率电感的Q值，在1Mhz处，Q值基本在15-40之间，因此交流能量带来的损耗应该是千分之几，是比较小的。正是因为如此，我们在DCDC电路中，一般不用去考虑电感的Q值，因为它的影响比较小。

与此同时，电感的直流电传递了85%的能量给了负载，而其损耗主要由直流导通电阻DCR决定，因此，我们在选用电感的时候，主要去看DCR参数。为了减小发热，一般选用DCR值小的。

功率电感的Q值曲线

尽管功率电感选型时我们不需要考虑电感的Q值，但是感兴趣的话，我们还是可以看看它曲线。至少我们可以知道，在电感的自谐振频率处，电感的Q值是最小的，而不是最大的。

这是村田的1264EY-4R7M的4.7uH的电感，可以看到，在谐振频率处，Q值最小，基本为0。这是为什么呢？

这是因为在自谐振频率处，电感与其寄生电容谐振了，相当于一个电阻。或者从微观上看，进入电感的能量在其内部电容和电感中来回倒腾，并不能释放出来，只能通过Rs慢慢消耗掉。

从曲线我们也可以看出，在频率大于100Khz后，电感的损耗就不是主要由Rdc决定了，因为如果由Rdc决定，那么Q值应该随着频率线性增大。

那么总电阻Rs是多少呢？我们来计算1Mh处的Rs。

根据公式Q=jwL/Rs，Q=25，求得Rs=1.18Ω。查看该电感规格书参数，Rdc=0.029Ω。由此可见，总的交流电阻要比Rdc大很多的。

什么时候要考虑电感的Q值

实际上，Q值的大小取决于实际应用，并不是越大越好。例如，如果设计一个宽带滤波器，过高的Q值将使带内平坦度变坏。在电源去耦电路中采用LC滤波时，高Q值的电感和电容极容易产生自谐振状态，这样反而对谐振频率附近的噪声有所放大。

Q值越高，电感的性能越接近于理想的无损电感，这也说明了它在谐振电路中的选择性更好，因此，谐振电路要选择高Q值电感。

一般来说，对于高频电感或者射频电感，一般对Q值有要求，需要注意。

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