互感的实际意义与应用

了解互感及其如何影响工程师的电路和系统设计方法。

什么是互感？

如果您曾经使用过变压器，那么您就熟悉互感。这个名字可能有点误导;它似乎指的是电感本身的共享，就好像两个线圈在你将它们安排得非常接近时会失去它们自己的物理电感特性。我会说互感不是指电感的共用，而是指电感的相互作用：一个线圈的电气特性会影响附近线圈的电气特性。

毫无疑问，变压器是互感的一个非常重要的应用，但这种现象还有其他与电子电路和系统（即不仅仅是变压器设计人员）合作的人有关的其他影响。

无意的变形金刚

让我们用一个三段论开始本节：

前提：一个由两个相邻的线圈就是我们所说的变压器。

前提：分立式电感器是一个线圈。

Ergo，如果我们将离散电感器放置得非常接近，我们就会创建一个变压器。

如果考虑通过变压器初级绕组的电流影响的程度在次级绕组的电气条件下，问题很明显：离散电感器可以是将噪声和干扰从一个信号耦合到另一个信号的有效手段。当电路如此紧凑时，这尤其成问题。

例如，假设您有一块带有必须数字化的关键传感器信号的小电路板。您决定使用LC低通用于抗混叠滤波器。该电路板的电源是开关稳压器。在你的想法中，你没有在抗混叠滤波器和电源电路之间建立连接，但由于最终的设备需要不比火柴盒大很多，所以所有部件最终会在一个小的两个上堵塞在一起在将PCB发送到晶圆厂之前，请先了解哪些元件在哪里。切换器的电感是否最终位于抗混叠滤波器中的电感旁边？或者它们可能是垂直相邻的，即一个电感器位于底侧另一个电感器正上方的顶侧？ （接地层可能会降低互感的影响，但物理上屏蔽高频磁场并不容易。）

如果布局限制使得物理上分离电感器变得不切实际，则可以“磁性分离” “他们通过相对的方向。当线圈平行布置时，磁耦合最大化。如果你有两个电感器，让一个垂直于另一个。如果你有三个靠近的电感，两个可以垂直，第三个可以是45°角。

降低电感

当电流路径的两个“源”和“吸收”部分非常接近时，会发生互感现象的有趣表现。通过“源”和“下沉”，我的意思是路径的一部分具有沿向外方向（即，从源到负载）流动的电流，而另一部分具有在向内方向上流动的电流（即，从负载返回来源）。实际上，通过将源极和吸收导体彼此靠近来降低电流路径的总电感，这种较低的电感可以转化为更好的高频性能。

减少（不需要的）耦合

上一节中讨论的低电感布置也会导致物理上的更小的电流回路，这带来了额外的好处。一个电流回路和附近电流回路之间的互感导致无意的耦合。这让我想起了我差不多二十年前配备音频接收器的方形磁环天线。从电学的角度来看，环形天线就像是与传输的电磁信号的磁性部分相互作用的线圈。

如果你试图收听收音机，那么大环路是好的，但是如果你不那么好我试图在电子设备中保持信号完整性。如果您不希望来自一个子电路的信号与另一个子电路中的信号混合，您可以通过减少互感来减少耦合，并且可以通过形成物理上更小的电流环来减少互感。

改善互连

你有没有想过为什么电缆有时会包含多个接地连接？在某些情况下，需要使用多根接地线来安全地承载所有返回电流，但在低电流应用中，它们有助于防止相邻导体之间过度的互感耦合。

如果距离很远在导体和最近的返回导线之间，该导体的电流路径将具有大的环路面积。相邻导体也将具有相似尺寸的环形区域（稍大或略小，取决于返回线的位置）。因此，互感将很高。您可以通过在整个电缆中分配接地线来减小回路的尺寸，如果您真的想要最小化互感，则可以将每条信号线与回线配对。

结论

在本文中，我们回顾了互感的一些实际意义。您可以通过在设计PCB和互连时牢记这一现象来提高信号完整性和系统可靠性，特别是在这个无情小型化的时代 - 随着设备变得越来越小，越来越少的PCB空间可用于确保充分分离在电流回路和电感元件之间。如果您想深入研究与PCB布局相关的微妙问题，我建议使用两种资源来帮助我制定本文中的信息：一个是Maxim的应用笔记，另一个是ADI公司出版的书籍章节。