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PCB线圈用作LDC1000电感至数字转换器的传感元件
2021-11-26
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LDC1000 是款电感至数字转换器。提供低功耗,小封装,低成本的解决方案。它的 SPI 接口可以很方便连接 MCU。LDC1000 只需要外接一个PCB线圈板或者自制线圈就可 以实现非接触式电感检测。

LDC1000电感的检测原理是利用电磁感应原理。在线圈中加一个交变电流,线圈周围会产生交变磁场,这时如果有金属物体进入这个磁场则会在金属物体表面产生涡流。涡流电流与线圈电流的方向相反。涡流产生的感应电磁场与线圈的电磁场方向相反。涡流与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

一位客户问我他是否可以将微小型 PCB 线圈用作 LDC1000 电感至数字转换器 (LDC) 的传感元件。该 PCB 线圈在四层电路板上每一层只有三匝,线圈直径为 2 毫米。PCB 线圈的电感太低,无法产生与 LDC1000 振荡的 LC 谐振回路。由于传感器所在位置的空间很有限,因此建议添加一个固定串联电感器来解决。电感至数字转换器将外部 LC 谐振回路电路用作传感元件。该谐振回路包含一个带串联寄生电阻的电感器和一个并联电容器。

谐振回路振荡频率范围受电感至数字转换器输出驱动器的驱动强度限制。要确保 LC 谐振回路的稳定振荡,LDC1000 不仅需要 5kHz 至 5MHz 的传感器振荡频率,同时还要保证谐振等效并联电阻 (RP) 保持在 798Ω 和 3.98MΩ 之间。这些边界条件可创建各种情景,使所选传感器的阻抗不足以设计适当的 LC 谐振回路振荡器。

在通过网络分析仪测量三匝、四层PCB 电感器时,我发现在 5MHz 最大允许震荡频率下的电感是 150nH。在该频率下,我测量的串联电阻为 0.54Ω。

LC 谐振回路的振荡频率计算公式为:

LC 谐振回路的振荡频率计算公式


因此,需要用一个 6.8nF 的电容器将谐振回路振荡频率降低至 5MHz。然而,谐振等效并联电阻的计算公式

谐振等效并联电阻的计算公式


显示:RP 只有 40.8Ω,明显低于 LDC1000 谐振回路驱动器确保稳定振荡所需的 798Ω 的最小值。无法为 150nH PCB 线圈增加电容器值,因此不能产生可在 LDC1000 的传感器和 RP 边界条件范围内工作的 LC 谐振回路。

为了克服这个问题,我在传感器电感中添加了一个固定串联电感。串联电感器可以增加传感器阻抗,而无需在不受支持的振荡频率下工作。合适的固定串联电感器包括表面贴装 (SMD) 电感器和多层PCB 线圈。串联电感不应用作二级传感器,因此它们必须与附近的可移动导电材料物理隔离,或者必须使用屏蔽 SMD 电感。

另外需注意使用固定串联电感时分辨率会受到影响,因为只有部分组合电感可以用作传感器(类似于向 AC 信号添加一个 DC 失调)。因此,您需要在轻松满足 LDC1000 的边界条件的同时,使串联电感尽可能小。这将产生最好的分辨率。

我在0603封装中添加了一个TDK MLZ1608E4R7M多层电感,其标准电感为4.7μH。传感器电感和串联固定电感在5MHz时的组合电感测量值为5.3μH,组合串联电阻为6.4Ω。

为了获得一定的裕度,我添加了一个 270pF 的谐振槽电容,以产生 4.2MHz 的振荡频率。 LC谐振槽的谐振等效并联电阻为3.1MΩ,完全在LDC1000规定的RP范围内。

如果您的LDC设计空间有限,必须使用支持低电感的小尺寸传感器线圈,或者需要使用小弹簧作为传感元件,则只需添加一个固定串联电感即可。这将在 LDC 的边界条件内提供 LC 谐振回路振荡。

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