电感基础知识分享

电感是开关电源中必不可少的器件之一，涉及到磁的理论知识；AC/DC用到的电感有：EMI滤波电感，PFC电感、输出滤波电感、反激变压器（实为耦合电感）；板上DC/DC用到的电感多为EMI滤波电感、BUCK输出电感、Boost输入电感等；

电感的性能参数

电感的基本原理

电感的功能就是以磁场能的形式储存电能量。以圆柱型线圈为例，简单介绍下电感的基本原理,

如上图所示，当恒定电流流过线圈时，根据右手螺旋定则，会形成一个图示方向的静磁场。而电感中流过交变电流，产生的磁场就是交变磁场，变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流：

电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原磁场方向相同，根据楞次定律，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，根据楞次定律，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

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。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。

所以，电感的阻抗于两个因素有关：一是频率；二是电感的固有属性，也就电感的值，也称为电感。根据理论推导，圆柱形线圈的电感公式如下：

电感的等效模型

对于实际的电感而言，实际电感的特性不仅仅有电感的作用，还有其他因素，如：绕制线圈的导线不是理想导体，存在一定的电阻；电感的磁芯存在一定的热损耗；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：

自谐振频率

自谐振频率(Self-Resonance Frequency)：由于Cp的存在，与L一起构成了一个谐振电路，其谐振频率便是电感的自谐振频率。在自谐振频率前，电感的阻抗随着频率增加而变大；在自谐振频率后，电感的阻抗随着频率增加而变小，就呈现容性。

品质因素

-品质因素(Quality Factor)：也就是电感的Q值，电感储存功率与损耗功率的比，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.

Q=ωLrQ=rωL

ωω：角频率；L:电感值；r:等效电阻

电感尺寸

电感尺寸长*宽*高：正比于L∗I2L∗I2

L∗I2=LI∗I=N∗B∗Ae∗H∗Ie/N=B∗B∗Ae∗Ie/UL∗I2=LI∗I=N∗B∗Ae∗H∗Ie/N=B∗B∗Ae∗Ie/U

如何减小尺寸：

高频--电感量小

多相--L(I22)+L(I22)=0.5L∗I2L(2I2)+L(2I2)=0.5L∗I2

额定电流(温升电流)

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。

额定电流(温升电流)通常指线圈温升40℃得到的直流电流值，该电流值和封装成正比，和DCR成反比

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；选择电感时，设计RMS电流不能超过电感温升电流。

电感量

电感量是衡量电流产生磁通能力的一个参数，通常有20%的误差

引入磁阻的概念：

Rm=Ie/(U0∗Ur∗Ae)∗L=N2∗U0∗Ur∗Ae/IeRm=Ie/(U0∗Ur∗Ae)∗L=N2∗U0∗Ur∗Ae/Ie

Lg=N2∗U0∗Ae/IG(铁氧体磁芯开气隙电感量)Lg=N2∗U0∗Ae/IG(铁氧体磁芯开气隙电感量)

对于DCDC芯片所使用的电感而言，电感值越大，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

饱和电流

增加磁芯的磁导率，可以提高电感值，通常使用铁磁性材料做磁芯。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。

饱和电流通常是额定电流的1.3-1.5倍；饱和电流是指在该电流下电感量下降了额定值的30%；

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。为了提高可靠性，降额设计是必须的，通常建议工作值应降额到不高于额定值的80%

直流阻抗(DCR)

直流阻抗(DCR)就是指电感线圈的阻抗，规格书是25℃的测量值，该阻抗是正温度系数。

电感的种类

－电感根据工艺结构的差别，大体可分为三类

绕线电感(Wire Wound Type)

绕线电感(Wire Wound Type)，顾名思义就是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)和平面形绕法(Flat Wound)

其采用的磁芯可以是：

非磁性材料：例如空气芯、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；这样电感值较小，但是基本不存在饱和电流

铁磁性材料：例如铁氧体、波莫合金等等；合金磁导率比铁氧体大；铁磁性材料存在磁饱和现象，有饱和电流。

绕线电感可提供大电流、高感值；磁芯磁导率越大，同样的感值，绕线就少，绕线少就能降低直流电阻；同样的尺寸，绕线少可以绕粗，提高电流。

多层片状电感(Multilayer Type)

多层片状电感(Multilayer Type)的制作工艺：将铁氧体或陶瓷浆料干燥成型，交替印刷导电浆料，最后叠层、烧结成一体化结构(Monolithic)。

多层片状电感的比绕线电感尺寸小，标准化封装，适合自动化高密度贴装；一体化结构，可靠性高，耐热性好。

薄膜电感(Thin Film Type)

薄膜电感采用的是类似于IC制作的工艺，在基底上镀一层导体膜，然后采用光刻工艺形成线圈，最后增加介质层、绝缘层、电极层，封装成型。

薄膜器件的制作工艺，如下图所示：

 

光刻工艺的精度很高，制作出来的线条更窄、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

电感的应用

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。

多层片状功率电感也越来越多，通常电感值和电流都较低，优点是成本较低、体积超小，在手机等空间限制较大的产品中有较多应用。

功率电感需要根据所选的DCDC芯片来选型。通常，DCDC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。

去耦电感

去耦电感也叫Choke，教科书上通常翻译成扼流圈。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。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，用于滤除一些差模干扰，主要就是与电容一起构成LC滤波器，减小电源噪声。

 

选择差模电感需要注意一下几点：

直流电阻、额定电压和电流，要满足工作要求；

结构尺寸满足产品要求；

通过测试确定噪声的频段，根据电感的阻抗曲线选择电感；

设计LC滤波器，可以做简单的计算和仿真。

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。

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；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。

换一个方式理解：当V+上流过一个频率的共模干扰，形成的交变磁场，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-上共模干扰的方向相反，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220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等等。用于滤除共模干扰，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：

直流阻抗要低，不能对电压或有用信号产生较大影响；

用于电源线的话，要考虑额定电压和电流，满足工作要求；

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。

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，消除器件与传输线之间的阻抗失配，减小反射和损耗；

滤波(Filter)：与电容一起组成LC滤波器，滤出一些不想要的频率成分，防止干扰器件工作；

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；

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。

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。

之前介绍的三种结构，都可以用来制作高频电感，下面介绍下他们的特点：

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

随着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。