電感式傳感：如何將微小型 2 毫米 PCB 電感器用作傳感器

 最近，一位客戶問我他是否可以將微小型 PCB 線圈用作 LDC1000 電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (LDC) 的傳感元件。該 PCB 線圈在四層電路板上每一 PCB 層只有三匝，線圈直徑為 2 毫米。PCB 線圈的電感太低，無(wú)法產(chǎn)生與 LDC1000 振蕩的 LC 諧振回路。由于傳感器所在位置的空間很有限，因此我建議添加一個(gè)固定串聯(lián)電感器來(lái)解決他的兩難問題。

電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器將外部 LC 諧振回路電路用作傳感元件。該諧振回路包含一個(gè)帶串聯(lián)寄生電阻的電感器和一個(gè)并聯(lián)電容器，如圖 1 所示。

圖 1：LC 諧振回路能感測(cè)導(dǎo)電目標(biāo)的距離

諧振回路振蕩頻率范圍受電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度限制。要確保 LC 諧振回路的穩(wěn)定振蕩，LDC1000 不僅需要 5kHz 至 5MHz 的傳感器振蕩頻率，同時(shí)還要保證諧振等效并聯(lián)電阻 (RP) 保持在 798Ω 和 3.98MΩ 之間。這些邊界條件可創(chuàng)建各種情景，使所選傳感器的阻抗不足以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)?LC 諧振回路振蕩器。

在通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量三匝、四層 PCB 電感器時(shí)，我發(fā)現(xiàn)在 5MHz 最大允許震蕩頻率下的電感是 150nH。在該頻率下，我測(cè)量的串聯(lián)電阻為 0.54Ω。

LC 諧振回路的振蕩頻率計(jì)算公式為：

因此，需要用一個(gè) 6.8nF 的電容器將諧振回路振蕩頻率降低至 5MHz。然而，諧振等效并聯(lián)電阻的計(jì)算公式

顯示：RP 只有 40.8Ω，明顯低于 LDC1000 諧振回路驅(qū)動(dòng)器確保穩(wěn)定振蕩所需的 798Ω 的最小值。無(wú)法為 150nH PCB 線圈增加電容器值，因此不能產(chǎn)生可在 LDC1000 的 fsensor 和 RP 邊界條件范圍內(nèi)工作的 LC 諧振回路。

為克服這個(gè)問題，我為傳感器電感器添加了一個(gè)固定串聯(lián)電感器，如圖 2 所示。該串聯(lián)電感器可增加傳感器阻抗，而且無(wú)需在不支持的振蕩頻率下工作。適當(dāng)?shù)墓潭ù?lián)電感器包括表面安裝 (SMD) 電感器與多層 PCB 線圈。串聯(lián)電感器不應(yīng)該作為二級(jí)傳感器使用，因此必須將其與附近的可移動(dòng)導(dǎo)電材料進(jìn)行物理隔離，或者使用屏蔽式 SMD 電感器。

注意，當(dāng)使用固定串聯(lián)電感器時(shí)分辨率會(huì)受到影響，因?yàn)榻M合電感中只有一部分可作為傳感器使用(類似于為 AC 信號(hào)添加一個(gè) DC 失調(diào))。因此，您需要在輕松滿足 LDC1000 邊界條件的同時(shí)，讓串聯(lián)電感器盡量小。這樣才能產(chǎn)生盡可能最好的分辨率。

圖 2：添加一個(gè)串聯(lián)電感器可增大傳感器阻抗

我添加了一個(gè)采用 0603 封裝的 TDK MLZ1608E4R7M 多層電感器，其具有 4.7μH 的標(biāo)準(zhǔn)電感。傳感器電感器和串聯(lián)固定電感器在 5MHz 下的組合電感測(cè)量值為 5.3μH，組合串聯(lián)電阻為 6.4Ω。

為獲得一定裕度，我添加了一個(gè) 270pF 的諧振回路電容器，以產(chǎn)生 4.2MHz 的振蕩頻率。LC 諧振回路的諧振等效并聯(lián)電阻為 3.1MΩ，完全在 LDC1000 的規(guī)定 RP 范圍內(nèi)。

如果您的 LDC 設(shè)計(jì)空間有限，必須使用支持低電感的小尺寸傳感器線圈，或是您需要將小型彈簧用作傳感元件，您只需要添加一個(gè)固定串聯(lián)電感器就夠了。這樣將會(huì)在 LDC 邊界條件范圍內(nèi)提供 LC 諧振回路振蕩。