電感的基本原理、種類、核心參數(shù)和選型要點(diǎn)

電感作為三大被動器件之一，就功能而言，是一種電磁感應(yīng)組件，也稱為扼流器、電抗器、動態(tài)電抗器、線圈、扼流圈等，其主要功能是儲蓄電能，線圈內(nèi)電流產(chǎn)生磁場，該磁場再產(chǎn)生電流，可將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲起來，從而保證電壓穩(wěn)定。還有整理和篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾(EMI靜噪濾波器)等功能。電感是一種重要的電子元件，它在電路設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色。本文將介紹電感的基本原理、種類、核心參數(shù)和選型要點(diǎn)，幫助大家更好地理解和應(yīng)用電感。

當(dāng)電流通過線圈時(shí)，就會產(chǎn)生磁場，從而在線圈中存儲磁能。電感的充電和放電過程就是磁場儲存和釋放的過程。電感的感值大小與線圈的匝數(shù)、線圈的面積以及周圍環(huán)境的磁導(dǎo)率有關(guān)。一般來說，線圈的匝數(shù)越多，線圈的面積越大，周圍的磁導(dǎo)率越高，電感的感值就越大。

電感器的結(jié)構(gòu)類似于變壓器，但只有一個(gè)繞組，其外形由電線一圈圈纏繞而成，一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁芯或鐵心等組成，電感的工作原理為當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)通過交流電時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)部及周圍產(chǎn)生交變磁通，從而起到“通直流、阻交流”的作用，由楞次定律可知該磁力線會阻止原本磁力線的變化，電感的作用與電容相反，常與電容在一起，組成LC濾波電路等。如果電感器在沒有電流通過的狀態(tài)下，電路接通時(shí)它將試圖阻礙電流流過它;如果電感器在有電流通過的狀態(tài)下，電路斷開時(shí)它將試圖維持電流不變。所以具有濾波、振蕩、延遲、陷波等功能，還有篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等作用。它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等，應(yīng)用非常廣泛。

以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理：

如上圖所示，當(dāng)恒定電流流過線圈時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會形成一個(gè)圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流，產(chǎn)生的磁場就是交變磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，線圈上就有感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生感應(yīng)電流：

電流變大時(shí)，磁場變強(qiáng)，磁場變化的方向與原磁場方向相同，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相反，電感電流減小;

電流變小時(shí)，磁場變?nèi)?，磁場變化的方向與原磁場方向相反，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相同，電感電流變大。

以上就是楞次定律，最終效果就是電感會阻礙流過的電流產(chǎn)生變化，就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感，電流變化率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高;如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高。

簡單來說，電感按功能可分成射頻電感和功率電感;按工藝可分為繞線電感、層疊電感和薄膜電感;按材料可分為磁性電感和非磁性電感。

當(dāng)然我們還可以將電感按用途分為高頻電感、功率電感(主要為電源類電感)、一般電路用電感。高頻電感主要用途包括耦合、共振、扼流;功率電感主要用途包括變化電壓和扼流;而一般電路用電感提供廣泛的電感范圍和尺寸，用于聲音、視頻等普通模擬電路、共振電路等。

按電感形式分為固定電感、可變電感。

按導(dǎo)磁體性質(zhì)可分為空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。

按工作性質(zhì)可分為天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏轉(zhuǎn)線圈。

按繞線結(jié)構(gòu)可分為單層線圈、多層線圈、蜂房式線圈。

按工作頻率可分為高頻線圈、低頻線圈。

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為磁芯線圈、可變電感線圈、色碼電感線圈、無磁芯線圈等。

按封裝方式分類，可分為插裝式電感、片式電感。片式電感體積小、重量輕、可靠性好、便于安裝，已取代插裝式電感成為主流，又分為繞線式、疊層式、薄膜片式和編織線式四類，其中疊層片式、繞線式最為常見。

常見的電感

1、線圈電感：線圈電感是最基本的電感形式，它由一圈圈的導(dǎo)線繞制而成。其特點(diǎn)是感值范圍廣、穩(wěn)定性好，但體積較大，適用于工頻、低頻電路中。線圈電感一般用于濾波、振蕩、定時(shí)等場合。

2、貼片電感：貼片電感是一種表面貼裝的電感，它由導(dǎo)線和磁芯組成。其特點(diǎn)是感值范圍較窄，但體積小、重量輕，適用于高頻、小型化電路中。貼片電感一般用于濾波、振蕩、頻率補(bǔ)償?shù)葓龊稀?/p>

3、功率電感：功率電感是一種大功率的電感，它能夠在高電壓、大電流的條件下工作。其特點(diǎn)是容量大、穩(wěn)定性好，但體積較大，適用于電源、驅(qū)動等電路中。功率電感一般用于濾波、振蕩、限流等場合。

4、射頻電感：射頻電感是一種工作在高頻范圍內(nèi)的電感，它具有高感值、小體積等特點(diǎn)。其特點(diǎn)是頻率高、阻抗低，但穩(wěn)定性較差，適用于高頻、微波電路中。射頻電感一般用于濾波、諧振、頻率變換等場合。

電感的核心參數(shù)

1、電感量L

電感量L表示線圈本身固有特性，與電流大小無關(guān)。除專門的電感線圈(色碼電感)外，電感量一般不專門標(biāo)注在線圈上，而以特定的名稱標(biāo)注。電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。

電感器電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)(匝數(shù))、繞制方式、有無磁芯及磁芯的材料等。通常，線圈圓數(shù)越多繞制的線圈越密集電感量就越大。有磁芯的線圈比無磁芯線圈電感量大磁芯導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感量的基本單位是亨利(簡稱亨)用字母H表示。

2、感抗XL

電感線圈對交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關(guān)系為XL=2πfL。

3、品質(zhì)因素Q

品質(zhì)因素Q是表示線圈質(zhì)量的一個(gè)物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R。線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。線圈的Q值與導(dǎo)線的直流電阻，骨架的介質(zhì)損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應(yīng)的影響等因素有關(guān)。線圈的Q值通常為幾十到幾百。采用磁芯線圈，多股粗線圈均可提高線圈的Q值。

4、直流電阻DCR

電感線圈在非交流電下量得之電阻，在電感器設(shè)計(jì)中，直流電阻愈小愈好，其量測單位為歐姆，通常以其最大值為標(biāo)注。

5、分布電容

線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩(wěn)定性變差，因而線圈的分布電容越小越好。采用分段繞法可減少分布電容。

6、自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于Cp的存在，與L一起構(gòu)成了一個(gè)諧振電路，其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電感的阻抗隨著頻率增加而變大;在自諧振頻率后，電感的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現(xiàn)容性。

7、允許誤差

電感量實(shí)際值與標(biāo)稱之差除以標(biāo)稱值所得的百分?jǐn)?shù)。

允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。

一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0.2%±0.5%而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高，允許偏差為±10%±15%。

8、標(biāo)稱電流

也叫額定電流，指線圈允許通過的電流大小，通常用字母A、B、C、D、E分別表示，標(biāo)稱電流值為50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA 。額定電流是允許能通過一電感之連續(xù)直流電流強(qiáng)度，此直流電流的強(qiáng)度是基于該電感在最大的額定環(huán)境溫度中的最大溫升，額定電流與一電感由低的直流電阻以降低繞線的損失的能力有關(guān)，亦與電感驅(qū)散繞線的能量損失的能力有關(guān)，因此額定電流可借著降低直流電阻或增加電感尺寸來提高，對低頻的電流波形，其均方根電流值可以用來代替直流額定電流，額定電流與電感的磁性并無關(guān)連。

9、飽和電流Isat

在電感上加一特定量的直流偏壓電流，使電感的電感值下降，相對未加電流時(shí)的電感值下降10%(鐵氧體磁芯)或20% (鐵粉芯)，這個(gè)直流偏壓電流就叫該電感的飽和電流?？招尽⑻沾尚倦姼惺菦]有飽和電流的。

10、直流阻抗Rdc

電感的阻抗值是指其在電流下所有的阻抗的總和(復(fù)數(shù)) ,包含了交流及直流的部分，直流部分的阻抗值僅僅是繞線的直流電阻(實(shí)部)，交流部分的阻抗值則包括電感的電抗(虛部)。從這個(gè)意義上講, 也可以把電感器看成是"交流電阻器”。電感通過直流電時(shí)的電阻值。這個(gè)參數(shù)影響最大最直接的就是發(fā)熱損耗，所以直流阻抗越小損耗越少。減小Rdc與尺寸小型化等條件略有沖突。只要從上述的滿足電感、額定電流等必要特性的電感器當(dāng)中，選定Rdc更小的產(chǎn)品即可。

11、阻抗頻率特性

理想電感的阻抗隨著頻率增加而增加，然而實(shí)際電感由于寄生電容和寄生電阻的存在，在一定頻率下呈現(xiàn)感性，超過一定頻率呈容性，阻抗反而隨著頻率的增加而減小，這個(gè)頻率就是轉(zhuǎn)折頻率。

12、居里溫度

居里溫度是鐵芯的一個(gè)重要參數(shù)，超過此溫度鐵氧體磁芯將失去磁性。因此要注意電感的工作溫度不能超過鐵芯的居里溫度。鐵芯的磁導(dǎo)率一般在接近居里溫度時(shí)會急速上升，因而電感值亦上升，居里溫度導(dǎo)磁率降至很低，因而使電感值急速下降，當(dāng)導(dǎo)磁率下降至室溫下的10%時(shí)，其溫度稱之為居里溫度。

13、測試頻率

測試頻率用來測量電感的電感值或Q值的頻率，工業(yè)上常用的測試頻率包括：1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz，現(xiàn)在的趨勢是根據(jù)客戶的使用頻率作為測試頻率。

14、鐵芯損失(core loss)

鐵芯損失，簡稱鐵損，主要由渦流損與磁滯損造成。渦流損大小主要是看鐵芯材料是否容易「導(dǎo)電」;若導(dǎo)電率高，即電阻率低，渦流損就高，如鐵氧體的電阻率高，其渦流損就相對地低。渦流損也與頻率有關(guān)，頻率愈高，渦流損愈大，因此鐵芯材料會決定鐵芯適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。一般而言，鐵粉芯的工作頻率可到1MHz，而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若工作頻率超過此頻率，則渦流損會快速增加，鐵芯溫度也會提高。然而，隨著鐵芯材料日新月異，更高工作頻率的鐵芯應(yīng)是指日可待。

另一個(gè)鐵損是磁滯損，其與磁滯曲線所圍之面積成正比，即與電流交流成分的擺動(swing)幅度有關(guān);交流擺幅愈大，磁滯損也愈大。

在電感器之等效電路中，常用一個(gè)并聯(lián)于電感的電阻來表示鐵損。當(dāng)頻率等于SRF時(shí)，電感抗和電容抗抵消，等效電抗為零，此時(shí)電感器之阻抗即等效于此鐵損電阻串聯(lián)繞線電阻，且鐵損電阻已遠(yuǎn)大于繞線電阻，所以在SRF時(shí)的阻抗就約等于鐵損電阻。以一低壓電感為例，其鐵損電阻約在20kΩ左右，若以電感兩端的有效值電壓5V來估算，其鐵損約為1.25mW，這也說明了鐵損電阻愈大愈好。

15、封裝結(jié)構(gòu)(shield structure)

鐵氧體電感的封裝結(jié)構(gòu)有非遮蔽式、加磁膠之半遮蔽式、與遮蔽式，而不論哪一種都存在相當(dāng)?shù)目諝庀丁ｏ@然此空氣隙會有漏磁發(fā)生，且最壞的情況是會干擾周遭之小信號電路，或者，如果附近有導(dǎo)磁材料，其電感值也因此被改變。另一種封裝結(jié)構(gòu)為沖壓式鐵粉電感，由于電感內(nèi)部沒有間隙，且繞組結(jié)構(gòu)扎實(shí)，因此磁場散逸問題較小。圖10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量測沖壓式電感上方及側(cè)邊3mm處之漏磁場大小。表4列出不同封裝結(jié)構(gòu)電感的漏磁場大小比較，可看出非遮蔽式(non-shielded)電感之漏磁最嚴(yán)重;沖壓式(molded)電感的漏磁最小，顯示其磁遮蔽效果最好。這兩種結(jié)構(gòu)的電感之漏磁場大小相差約14dB，也就是將近5倍。

16、耦合(coupling)

在一些應(yīng)用當(dāng)中，有時(shí)PCB上會有多組直流轉(zhuǎn)換器，通常會相鄰排列，且其對應(yīng)之電感器也會相鄰排列的情況，如果使用非遮蔽式或加磁膠之半遮蔽式的電感器，可能會相互耦合，形成EMI干擾。因此，在放置電感時(shí)，建議先標(biāo)注電感的極性，將電感最內(nèi)層之起繞點(diǎn)接到轉(zhuǎn)換器之切換電壓，如降壓轉(zhuǎn)換器的VSW，即動點(diǎn)，而將電感之外層出線端接到輸出電容，即靜點(diǎn);銅線繞阻也因此如同形成一定程度的電場遮蔽。在多路轉(zhuǎn)換器的布線安排中，固定電感的極性，有助于固定互感的大小，避免一些意想不到的EMI問題。

電感的選型要點(diǎn)

在電路設(shè)計(jì)中，電感主要有三大類應(yīng)用：

功率電感：主要用于電壓轉(zhuǎn)換，常用的DCDC電路都要使用功率電感;

去耦電感、差模電感、共模電感：主要用于濾除電源線或信號線上的噪聲，EMC工程師應(yīng)該熟悉;

高頻電感：主要用于射頻電路，實(shí)現(xiàn)偏置、匹配、濾波等電路。

正確選擇電感是非常重要的一步。以下是電感選型時(shí)需要注意的幾個(gè)要點(diǎn)：

1、電感值：感值是電感存儲磁能的能力，是電感最重要的參數(shù)之一。應(yīng)根據(jù)電路的實(shí)際需求選擇具有合適感值的電感。一般來說，電感的感值越大，對電流的限制就越小，但也會影響電路的響應(yīng)速度和阻抗等。

2、頻率響應(yīng)：電感的頻率響應(yīng)是指電感在不同頻率下表現(xiàn)的感值和阻抗。應(yīng)根據(jù)電路的實(shí)際需求選擇具有合適頻率響應(yīng)的電感。例如，如果電路中有高頻信號處理，就需要選擇具有較好頻率響應(yīng)的電感，以保持信號的質(zhì)量。

3、溫升和散熱：電感在工作時(shí)會產(chǎn)生熱量，應(yīng)根據(jù)電路的實(shí)際需求選擇具有合適溫升和散熱能力的電感。例如，如果電路中的工作溫度較高，就需要選擇具有較好散熱能力的電感，以保持電路的性能穩(wěn)定。

4、封裝方式和形狀：根據(jù)電路布局和空間要求選擇合適的封裝方式和形狀。不同的封裝方式和形狀具有不同的特點(diǎn)和適用場景，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

5、注意導(dǎo)線(漆包線、紗包線或裸導(dǎo)線)，常用的漆包線。要找出最適合的線徑。

選型的依據(jù)要在電感規(guī)格書里查閱清楚：

1)了解電感封裝規(guī)格、外型尺寸;

2)了解電感基本靜態(tài)電氣參數(shù)及測試條件:

A)標(biāo)稱電感量及誤差;B)額定電流;C)最大直流電阻值(D.C.R);D)品質(zhì)因素(Q值)及諧振頻率(F0)(針對高頻電感);E)絕緣電阻及耐壓要求。

3)了解電感動態(tài)工作性能：A)電感量 vs 頻率;B)電感量 vs 工作電流;C)電感量 vs 工作環(huán)境溫度;D)表面溫升vs 工作電流。

4)了解電感的可靠性(機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境測試、持續(xù)耐久測試等)試驗(yàn)定義的條件及具體要求。

5)了解電感制程裝配及焊接條件定義(可焊性測試、耐焊接熱測試)。

6)環(huán)保法律法規(guī)符合狀況查詢(歐盟RoHS、Reach以及無鹵等要求)。

不同電感的不同選型方法

關(guān)于差模電感的選型：

1、磁芯：要求磁芯材料在偏磁場下仍然能夠保持磁導(dǎo)率指標(biāo)。適合制作差模電感器(扼流圈)的磁心材料是具有高Bs值的金屬磁粉心磁環(huán)和開路鐵氧體磁芯，但是考慮現(xiàn)在的EMI和EMC的要求。鐵鎳鉬、鐵鎳50、鐵硅鋁三種閉和磁路的金屬磁粉心磁環(huán)是最合適的。

2、線徑：可簡單通過電流密度(J=I/S，J表示電流密度、I表示輸入電流(有效值)、S表示差模電感繞組的橫截面積)評估，一般電流密度控制在小于10A/mm2，實(shí)際調(diào)試還是需要測試差模電感的溫度，溫度滿足規(guī)格書要求即可。

3、飽和電流：廠家生產(chǎn)出的差模電感成品，都會標(biāo)注其飽和電流，正常工作時(shí)流入差模電感的電流需要小于等于規(guī)格書標(biāo)注的飽和電流。

4、耐壓：異常狀態(tài)下(雷擊浪涌抗干擾測試項(xiàng)目等)，由于差模電感的特性，會抑制高頻瞬態(tài)能量，起到阻礙高頻電流流通，此時(shí)會導(dǎo)致在差模電感兩端產(chǎn)生較大的電動勢，形成電感兩端的電壓差。此時(shí)需要評估電感兩端產(chǎn)生的電壓差是否滿足線圈外層絕緣皮的耐壓。

5、電感值：可參考共模電感的電感值選型，即通過頻率阻抗曲線選擇合適的電感量。

關(guān)于插件式功率電感的選型：

1、封裝尺寸的參數(shù)信息：插件式功率電感封裝尺寸的參數(shù)信息主要指的是插件式功率電感的長、寬、高、引腳長度、引腳直徑等主要尺寸參數(shù)。因?yàn)檫@些尺寸信息反應(yīng)的是插件式功率電感的物理形狀大小，直接關(guān)系到是否可以正確安裝到電路板上。

2、電性能的參數(shù)信息：插件式功率電感電性能的參數(shù)信息主要就是電流、感值、阻抗等方面的參數(shù)信息。不同型號的插件式功率電感參數(shù)信息是不同的。

3、結(jié)合功率電感的使用場合，如在何種回路上，一般功率電感可用于DC-DC電源回路、音頻電源回路、CPU電路等回路上;

4、如果是DC-DC回路，要求功率電感的自諧頻率要大于回路的頻率;

5、根據(jù)電路的設(shè)計(jì)選擇合適的電感值，如在DC-DC回路上，功率電感主要作用是儲能和濾波，一般大的感量對應(yīng)強(qiáng)的濾波特性，但同時(shí)大感量會增加電感的RDC，影響電感的額定電流和響應(yīng)速率，因此要合理選擇感量;

6、根據(jù)回路電流的大小選擇功率電感，功率電感一般有兩種電流，直流重疊電流及溫升許容電流，在選型時(shí)，需要以其中較小的作為額定電流值;

7、最后根據(jù)產(chǎn)品尺寸、焊盤等選擇相應(yīng)尺寸的功率電感。

插件電感成本低，體積大，電感量范圍寬，種類齊全。但插件電感分類較多，在特性、特點(diǎn)、和作用上也是有很大的差別，生產(chǎn)的方式也不一樣。插件電感比較適用于產(chǎn)品空間內(nèi)置電路板尺寸比較大的產(chǎn)品。插件電感可分為插件色環(huán)電感，插件工字型電感，插件三腳電感，插件臥式電感，共模電感，磁環(huán)電感。

電感在Layout時(shí)，應(yīng)注意兩個(gè)電感不能緊鄰著放置，至少距離20mil以上。原因就是磁場會相互影響，從而影響感值，參考共模電感特性。電感選型要清楚器件的原理和應(yīng)用，綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素，做最優(yōu)的設(shè)計(jì)選型。