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 電感至數字轉換器 (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，無法產生與 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固定串聯電感器來解決他的兩難問題。

電感至數字轉換器將外部 LC 諧振回路電路用作傳感元件。該諧振回路包含一個帶串聯寄生電阻的電感器和一個并聯電容器，如圖 1 所示。

圖 1：LC 諧振回路能感測導電目標的距離

諧振回路振蕩頻率范圍受電感至數字轉換器輸出驅動器的驅動強度限制。要確保 LC 諧振回路的穩定振蕩，LDC1000 不僅需要 5kHz 至 5MHz 的傳感器振蕩頻率，同時還要保證諧振等效并聯電阻 (RP) 保持在 798Ω 和 3.98MΩ 之間。這些邊界條件可創建各種情景，使所選傳感器的阻抗不足以設計適當的 LC 諧振回路振蕩器。

在通過網絡分析儀測量三匝、四層 PCB 電感器時，我發現在 5MHz 最大允許震蕩頻率下的電感是 150nH。在該頻率下，我測量的串聯電阻為 0.54Ω。

LC 諧振回路的振蕩頻率計算公式為：

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

顯示：RP 只有 40.8Ω，明顯低于 LDC1000 諧振回路驅動器確保穩定振蕩所需的 798Ω 的最小值。無法為 150nH PCB 線圈增加電容器值，因此不能產生可在 LDC1000 的 fsensor 和 RP 邊界條件范圍內工作的 LC 諧振回路。

為克服這個問題，我為傳感器電感器添加了一個固定串聯電感器，如圖 2 所示。該串聯電感器可增加傳感器阻抗，而且無需在不支持的振蕩頻率下工作。適當的固定串聯電感器包括表面安裝 (SMD) 電感器與多層 PCB 線圈。串聯電感器不應該作為二級傳感器使用，因此必須將其與附近的可移動導電材料進行物理隔離，或者使用屏蔽式 SMD 電感器。

注意，當使用固定串聯電感器時分辨率會受到影響，因為組合電感中只有一部分可作為傳感器使用(類似于為 AC 信號添加一個 DC 失調)。因此，您需要在輕松滿足 LDC1000 邊界條件的同時，讓串聯電感器盡量小。這樣才能產生盡可能最好的分辨率。

圖 2：添加一個串聯電感器可增大傳感器阻抗

我添加了一個采用 0603 封裝的 TDK MLZ1608E4R7M 多層電感器，其具有 4.7μH 的標準電感。傳感器電感器和串聯固定電感器在 5MHz 下的組合電感測量值為 5.3μH，組合串聯電阻為 6.4Ω。

為獲得一定裕度，我添加了一個 270pF 的諧振回路電容器，以產生 4.2MHz 的振蕩頻率。LC 諧振回路的諧振等效并聯電阻為 3.1MΩ，完全在 LDC1000 的規定 RP 范圍內。

如果您的 LDC 設計空間有限，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，您只需要添加一個固定串聯電感器就夠了。這樣將會在 LDC 邊界條件范圍內提供 LC 諧振回路振蕩。