电感式传感：如何将微小型 2 毫米 PCB 电感器用作传感器

作者：Ben Kasemsadeh，TI公司

最近，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 PCB 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，因此我建议添加一个固定串联电感器来解决他的两难问题。

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，如图 1 所示。


图 1：LC 谐振回路能感测导电目标的距离

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：



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



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 fsensor 和 RP 边界条件范围内工作的 LC 谐振回路。

为克服这个问题，我为传感器电感器添加了一个固定串联电感器，如图 2 所示。该串联电感器可增加传感器阻抗，而且无需在不支持的振荡频率下工作。适当的固定串联电感器包括表面安装 (SMD) 电感器与多层 PCB 线圈。串联电感器不应该作为二级传感器使用，因此必须将其与附近的可移动导电材料进行物理隔离，或者使用屏蔽式 SMD 电感器。

注意，当使用固定串联电感器时分辨率会受到影响，因为组合电感中只有一部分可作为传感器使用（类似于为 AC 信号添加一个 DC 失调）。因此，您需要在轻松满足 LDC1000 边界条件的同时，让串联电感器尽量小。这样才能产生尽可能最好的分辨率。


图 2：添加一个串联电感器可增大传感器阻抗

我添加了一个采用 0603 封装的 TDK MLZ1608E4R7M 多层电感器，其具有 4.7μH 的标准电感。传感器电感器和串联固定电感器在 5MHz 下的组合电感测量值为 5.3μH，组合串联电阻为 6.4Ω。

为获得一定裕度，我添加了一个 270pF 的谐振回路电容器，以产生 4.2MHz 的振荡频率。LC 谐振回路的谐振等效并联电阻为 3.1MΩ，完全在 LDC1000 的规定 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，或是您需要将小型弹簧用作传感元件，您只需要添加一个固定串联电感器就够了。这样将会在 LDC 边界条件范围内提供 LC 谐振回路振荡。

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