电感的基本原理 电感的工艺结构

一、电感的基本原理

电子学三大基本无源器件分别为电感、电阻、电容；电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的被动电子元件。通常为导线卷绕的样子，如下图圆柱型线圈为例，简单介绍下电感的基本原理。

根据右手螺旋定则，当上图中有恒定电流流过线圈时，会形成一个图示方向的静磁场。但电感中通过的是交变电流时，产生的磁场就会是一个交变磁场，在线圈通电瞬间产生的这个变化的磁场中马上产生了一个新的电场，线圈上瞬时就有了新的感应电动势，从而产生新的感应电流，这个新的电流总是与原来的电流逆向对抗着，如此周而复始，它们遵从如下原则：

● 电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原磁场方向相同，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相反，电感电流减小；

● 电流变小时，磁场变弱，磁场变化的方向与原磁场方向相反，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

以上就是楞次定律，最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化，就是电感对交变电流呈高阻抗。也就平常大家说的电感有“通直流、阻交流”的特性。

电感的阻抗特性我们可以用两个现象来描述：同样的电感，电流变化率越高，产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高；如果同样的电流变化率，不同的电感，如果产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高。

如果要量化电感的阻抗值，我们知道它与两个因素有关：一是频率；二是电感的固有属性，也就电感的值（L），也称为电感。根据理论推导，圆柱形线圈的电感公式如下：

可以看出电感值的大小与线圈长度、横截面积、内部磁芯的材料、匝数等有关，与外加电流大小是无关的。

上述模型是理想模型，实际电感的特性不仅只有电感的作用，还有其他因素，如：

● 电阻性：绕制线圈的导线不是理想导体，存在一定的电阻；

● 衰减性：电感的磁芯存在一定的热损耗；

● 电容性：电感内部的导体之间存在着分布电容。

因此，需要用一个较为复杂的模型来表示实际电感，常用的等效模型如下：

等效模型有不同形式，各有各的画法，但要能体现它的损耗和分布电容特性。根据等效模型，可以定义实际电感的两个重要参数。

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

由于Cp与L一起构成了一个并联谐振电路，这个谐振频率便称电感的自谐振频率。在低于自谐振频率的频率下，电感的阻抗随着频率增加而变大趋势；在高于自谐振频率的频率下，电感的阻抗随着频率增加而变小的趋势，就呈现容性。

品质因素(Quality Factor)

是电感储存功率与损耗功率的比，也称为Q值，Q值越高，电感的损耗越低，和电感的直流阻抗直接相关的参数。

自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数

二、电感的工艺结构

电感的工艺大致可以分为3种：

2.1 绕线电感(Wire Wound Type)

把铜线绕在一个磁芯上形成一个线圈，绕线的方式有两种：

圆柱形绕法(Round Wound)

圆柱形绕法最常用，例如：

平面形绕法(Flat Wound)

平面形绕法就像一盘平时用的蚊香！优点是减小了器件的高度。

由前文介绍的公式可知，磁芯的μ越大，L值越大，实际磁芯不一定是磁材，可以是空气、木头、陶瓷等非磁性材料，这样电感值较小，但是基本不存在饱和电流；真正的铁磁材料做磁芯时，如铁氧体，存在磁饱和现象，有饱和电流。

绕线电感可提供大电流、高感值；如果同样的感值，采用磁芯磁导率越大，那绕线就可以少绕匝数，绕线少就能降低直流电阻；同样的尺寸不变的情况，绕线少可以加粗，提高电流承载能力。

另外，电源设计中，有时你会发现有啸叫的问题，其实就是磁场的变化引起了线圈的振动，振动的频率刚好在音频范围内，人耳就可以听见，如采用合金一体成型电感，比较牢固，可以降低振动。

2.2 多层片状电感(Multilayer Type)

多层片状电感的制作工艺：浆料干燥成型--印刷导电浆料--最后叠层--烧结成一体化结构(Monolithic)。

多层片状电感相比绕线电感优点是：尺寸小、一体化结构、标准封装、适合自动化高密度贴装、可靠性高、耐热性好。

2.3 薄膜电感(Thin Film Type)

薄膜电感制程类似于IC，先在基底上镀一层导体膜，然后采用光刻工艺制作线圈，最后加介质层、绝缘层、电极层，封装成型。

薄膜器件的制作工艺，如下图所示

光刻工艺精度高，制作的线条更窄、边缘更清晰。因此，薄膜电感具有

● 更小的尺寸，008004封装

● 更小的Value Step，0.1nH

● 更小的容差，0.05nH

● 更好的频率稳定性

三、电感的应用及选型

电感，从工艺技术上，领先的基本上是三大日系厂商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。国内目前正在追赶但还有点差距。

三家都有相应的选型软件，有电感、电容等所有系列的产品及相关参数曲线。

● SEAT 2013 - TDK

● Simsurfing - Murata

● Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

在电路设计中，电感主要有三大类应用：

● 功率电感：主要用于电压转换，常用的DCDC电路都要使用功率电感；

●去耦电感：主要用于滤除电源线或信号线上的噪声，EMC工程师应该熟悉；

● 高频电感：主要用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。

3.1 功率电感

功率电感通常用于DC-DC电路中，通过积累并释放能量来保持连续的电流。

功率电感大都是绕线电感，可以提高大电流、高电感；

多层片状功率电感多用在手机类等空间限制较大的产品中，通常电感值和电流都较低，优点是成本较低、体积超小。

功率电感要根据所选的DC-DC芯片来选型。通常，DC-DC芯片的规格书上都有推荐的电感值，以及相关参数的计算，这里不再赘述。

从电感本身的角度来说明如何选型。

电感值

通常应使用DC-DC芯片规格书推荐的电感值；L越大，纹波越小，但尺寸会变大；通常提高开关频率，可以使用小电感，但开关频率提高会增加系统损耗，降低效率；

额定电流

功率电感一般有两个额定电流，即温升电流和饱和电流；

当电感有电流通过的时候，由于损耗的存在，电感发热而产生温升，电流越大，温升越大；在额定的温度范围内，允许的最大电流即为温升电流。

通常使用铁磁性材料做磁芯，增加磁芯的磁导率，可以提高电感值。但铁磁性材料存在磁饱和现象，即当磁场强度超过一定值时，磁感应强度不在增加，即磁导率下降了，也就是电感下降了。在额定电感值范围内，允许的最大电流即为饱和电流。

磁滞回线

通常对DC-DC电路设计，要计算峰值电流（PEAK）和均方根电流（RMS）（查规格书中给出计算公式）。选择电感时，设计RMS电流低于电感温升电流。温升电流是对电感热效应的评估，根据焦耳定律，热效应需要考虑一段时间内的电流对时间的积分；为了保证在设计范围内电感值稳定，设计峰值电流不能超过电感的饱和电流。通常建议工作值应降额到不高于额定值的80%，当然降额幅度过大会大幅提高成本，提高可靠性的同时需要综合考虑成本。

直流电阻

电感的直流电阻会产生热损耗，导致温升，降低DC-DC效率；因此，当对效率敏感时，应选择直流阻抗低的电感，例如15毫欧。

还有就是根据产品的应用温度要求、是否需要满足RoHS、汽车级Q200等标准的要求、还有PCB结构限制。

大电流的应用，电感的漏磁就会相当可观，会对周围电路，例如对CPU等造成无法启动的现象。因此，大电流应用，应选择屏蔽性能好的电感并且Layout时注意避开关键信号。

3.2 去耦电感

也叫Choke，常翻译成扼流圈。去耦电感的作用是滤除线路上的干扰，属于EMC器件，EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。

去耦电感，通常结构比较简单，大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。个人觉得可以分为差模电感和共模电感。

差模电感

差模电感就是普通的绕线电感，与电容一起构成LC滤波器，用于滤除一些差模干扰，减小电源噪声。

差模电感选型需要注意一下几点：

• 符合工作要求的直流电阻、额定电压、额定电流；

• 满足产品结构尺寸要求；

• 通过测试确定噪声的频段，再查阅电感的阻抗曲线来选择电感；

• 设计前要计算或仿真LC滤波器。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声，与去耦电感之间的区别是：

• 磁珠是铁氧体材料制成，高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大，把高频噪声转化成热能耗散掉；

• 去耦电感是线圈绕在磁芯上，主要是线圈电感起作用滤除无用信号；

• 磁珠能高效滤除较高频的噪声，但地低频噪声不起作用；

• 去耦电感可以感值做得较高，能有效滤除低频噪声。

磁珠等效电路模型

共模电感

共模电感就是在同一个铁氧体环上绕制两个匝数相同、绕向相反的线圈。

如上图所示的共模电感：

● 当有差模成分流过共模电感时，根据右手定则，会在两个线圈形成方向相反的磁场，相互抵消，相当于对差模信号存在较低的感抗。

● 当有共模成分流过共模电感时，根据右手定则，会在两个线圈形成方向相同的磁场，相互加强，相当于对共模信号存在较高的感抗；

换一个方式理解：假设V+上流过一个频率的共模干扰，形成的交变磁场，同时会在另一个线圈上形成一个感应电流，根据左手定则，感应电流的方向与V-上共模干扰的方向刚好相反，这样就抵消了一部分，减小了共模干扰。

共模电感主要用于双线或者差分系统，如HDMI信号、CAN总线、USB信号、220V市电等等。在滤除共模干扰的同时，有用的差分信号衰减较小。

共模电感选型需要注意一下几点：

● 低直流阻抗，不能对电压或有用信号产生较大影响；

● 考虑额定电压和额定电流，满足电源工作要求；

● 通过测试确定共模干扰的频段，在该频段内共模阻抗应该较高；

● 差模阻抗要小，不能对差分信号的质量产生较大影响；

● 考虑封装尺寸，做兼容性设计。例如用于USB信号的共模电感，选择封装可以与两个0402的电阻做兼容，不需要共模电感时，可以直接焊0402电阻，降低成本。

下图是某共模电感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模干扰频率在10MHz左右，滤波效果很好，但如果是100kHz，可能就没什么效果。如果差分信号速率较高，100M以上，可能就会影响信号质量。

3.3 高频电感

高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中，从100MHz到6GHz都有应用。

高频电感在射频电路中主要有以下几种作用：

● 匹配(Matching)：与电容一起组成匹配网络，减小传输线与器件之间的阻抗失配引起的信号反射，降低损耗提高效率；

● 滤波(Filter)：与电容一起组成LC滤波器，滤除一些噪声频率成分，防止干扰器件工作；

● 谐振(Resonance)：与电容一起构成LC振荡电路，作为VCO的振荡源；

● 巴仑(Balun)：即平衡不平衡转换，与电容一起构成LC巴仑，实现单端射频信号与差分信号之间的转换。

● 隔离交流(Choke)：在PA等有源射频电路中，将射频信号与直流偏置和直流电源隔离；

高频电感的结构特点：

多层型

多层型通过烧结，形成一个整体结构，或叫独石型(Monolithic)

多层片状电感的，相比于其他两种就是Q值最低，最大的优势就是成本低，性价比高，适合于大多数没有特殊要求的应用。TDK和Taiyo Yuden的高频电感都只有多层型，没有绕线型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，这三个系列的产品基本一样，最便宜，性价比高。

当然随着工艺技术的提升，现在也有高Q值系列的多层片状电感，例如TDK的MHQ系列、太阳诱电的HKQ系列。

TDK的多层电感做的更好更全，还有一个MLG系列，有0402封装，感值可以做0.3nH，Value Step 0.1nH，容差0.1nH，接近薄膜电感的性能，价格还便宜。

绕线型

现在的工艺水平已经越来越高，绕线电感也可以做到0402封装。

绕线型工艺，其导线可以做到比多层和薄膜结构粗，因此可以获得极低的直流电阻。也意味着极高的Q值，同时可以支持较大的电流。将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯，可以得到较高的感值，可以应用与中频。

Murata的LQW系列可以做到03015封装，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封装，号称世界上最小的绕线电感。

薄膜型

采用光刻工艺，工艺精度极高，因此电感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高，感值稳定，Q值较高。

Murata的LQP系列，可以做到01005封装，高精度产品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三种工艺的高频电感，选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。

可以看出绕线型的Q值明显高于其他两种，而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种。当然，多层型的成本明显低于其他两种。

选择高频电感时，除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外，还要关注自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。

电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况，多层片状高频电感已能满足要求，一些特殊场合可能需要关注：

● 电感值较大，自谐振频率较低，需要注意工作频率应远低于自谐振频率。

● 大功率射频设备，PA偏置电流较大，需要选择绕线型以满足电流要求；同时大功率设备温升较高，需要考虑工作温度；

● 对于一些宽带设备，需要电感值在带宽内稳定，那么应选择薄膜电感；

● 对于高精度的VCO电路中，作为LC谐振源，只有薄膜电感能提高0.05nH的容差；

● 像手机、穿戴式设备，尺寸可能是最关键的因素，薄膜电感可能是比较好的选择。

有一些高频电感具有方向性，贴片安装的方向对电感值有一定影响，如下图所示：

可以看出，标记点朝侧面，感值变化较大，所以贴片时应注意让电感上的标记点朝上。

另外，Layout时，应注意两个电感不能紧邻着放置，至少距离20mil以上。原因就是磁场会相互影响，从而影响感值，参考前文共模电感示意图。

结语：选型要清楚器件的原理和应用，综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素。