教你如何将微小型PCB线圈用做电感式传感器元件

最近，很多网友讨论是否可以将微小型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，因此建议添加一个固定串联电感器来解决这两难问题。

一、LC 谐振回路能感测导电目标的距离

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。

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798和3.98M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，发现在5MHz最大允许震荡频率下的电感是150nH。在该频率下，测量的串联电阻为0.54。

LC 谐振回路的振荡频率计算公式得出，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40.8，明显低于LDC1000谐振回路驱动器确保稳定振荡所需的798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。

二、添加一个串联电感器可增大传感器阻抗

为克服不能产生可在fsensor和RP边界条件范围内工作的LC谐振回路这个问题，需要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。

需注意的是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，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。

添加一个采用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6.4。

为获得一定裕度，添加一个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3.1M，完全在LDC1000的规定RP范围内。如果LDC设计空间有限的话，必须使用支持低电感的小尺寸传感器线圈，或是需要将小型弹簧用作传感元件，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。