硬件电路基础【3.电感】

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一、基本原理

1.1 介绍

电感量反应了电感储存磁场能的本领。它的大小与电感线圈的匝数、几何尺寸、有无磁心(铁心)、磁心的导磁率有关。用于高频电路的电感量相对较小，用于低频电路的电感量相对较大。

1.2 单位换算

电感串联，等效感值变大
$$L=L_1+L_2+\dots +L_N，L为N个电感串联的等效感值$$

电感并联，等效感值变小
$$\frac{1}{L}=\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\dots +\frac{1}{L_N}，L为N个电感并联的等效感值$$

1.3 符号

电感单位：亨 (H)、毫亨(mH)、微亨 (uH)，1H=103mH=106uH。

电感量的标称：直标式、色环标式、无标式

电感方向性：无方向

检查电感好坏方法：用电感测量仪测量其电感量；用万用表测量其通断，理想的电感电阻很小，近乎为零。

1.4 基本原理

• 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。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：

可以看出电感的大小与线圈的大小及内芯的材料有关。
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，在后面电感的等效模型(第四节)会讲。
  

1.5 分类

电感的种类是多种多样的，根据不同的分类方式电感可分为不同的类型。

1.根据安装方式的不同可分为：表面贴装型电感和引线型电感；

2.根据电感形式的不同可分为：固定电感和可调电感；

3.根据绕线结构的不同可分为：绕线电感、层叠电感和薄膜电感；

4.根据磁芯材质的不同可分为：空芯电感、铁氧体电感、金属合金电感和圧粉磁芯电感；

5.根据电感用途的不同可分为：高频电感、功率电感、信号线电感、滤波电感；

对于相同类别的电感也可分为不同的等级：一般等级和车载等级，我们在选择电感型号的时候要注意区分，特别是对于汽车电子和医疗电子相关的产品，其对元器件的稳定性要求较高，应选择使用车载等级型号的电感。

二、电感作用

1. 电感器的作用主要是通直流，阻交流，在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用。
   电感线圈对交流电流有阻碍作用，阻碍作用的大小称感抗XL，单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为：
   $$XL=2\pi fL$$
   电感器主要可分为高频阻流线圈及低频阻流线圈。
   调谐与选频作用：电感线圈与电容器并联可组成LC调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等，则回路的感抗与容抗也相等，于是电磁能量就在电感、电容来回振荡，这LC回路的谐振现象。
   谐振时电路的感抗与容抗等值又反向，回路总电流的感抗最小，电流量最大（指f=”f0″的交流信号），LC谐振电路具有选择频率的作用，能将某一频率f的交流信号选择出来。
   
   
   
   
   

• 滤波。电感具有通直流隔交流的特性，通过和电阻、电容的配合能够组成低通滤波电路、高通滤波电路以及带通滤波电路等，有效去除干扰信号，筛选出有效信号。
• 谐振。电感和电容能够组成LC谐振电路，进而产生一定频率的震荡波形或者筛选出一定频率的震荡波形，起到调谐和选频的作用。
• 储能。电感能够存储能量并将其释放，且其对电流的变化是阻碍作用的，因此能够将它应用在电路当中，起到续流的作用。

2. 电感器还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。
   在电子设备中，经常看到有的磁环，这种磁环与连接电缆构成一个电感器（电缆中的导线在磁环上绕几圈电感线圈）。它是电子电路中常用的抗干扰元件，高频噪声有很好的屏蔽作用，故被称为吸收磁环。
   通常使用铁氧体材料制成，又称铁氧体磁环（简称磁环）。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特牲。在低频时阻抗很小，当信号频率升高后磁环的阻抗急剧变大。
   
   

• 阻抗匹配。在天线应用电路当中，通过电感和电容能够实现天线传输线50欧姆阻抗匹配的要求，减小信号的衰减和反射，此时的电感值一般为nH级别。
• 屏蔽。电感在吸收能量的同时也会向周围空间辐射能量，进而产生EMI问题，因此，对于EMI性能有要求的产品，应选择带屏蔽罩的电感，其中，一体成型的电感其性能是最佳的，应优先选择。

三、参数

感值

电感的感值越大，阻碍电流的变化越明显。实际设计需要选的电感值，与实际应用的电路有关，对应的电路根据实现的功能都有具体的计算公式，或者计算工具。

比如，功率电感应用在DCDC电压转换电路中，具体电路中所需要的电感值，所选用的DCDC转换芯片都已经有推荐值，这个是厂商已经结合芯片工作计算好的，我们直接按照厂商的推荐选用不同厂家，不同封装的电感即可；

注意一点，对于DCDC电压转换电路，功率电感的感值并不是非常确定必须选用某个值，假如根据实际计算得出的结果是4.1uH，那么实际的电感并没有4.1uH这个感值，此时选用3.3uH和4.7uH对DCDC转换电路都是可以正常工作的，只是感值偏大偏小的利弊不同罢了，本身DCDC的工作状态是动态的，而计算是基于特定状态参数计算而来，并非符合任意状态的场景。

比如DCDC电路中，电感值稍微大一点，纹波会好一些，但是动态响应会差一些，电感值小了动态响应会好，但是对应纹波会受影响。具体取舍要具体问题具体对待，以我的经验还是优先保证动态响应好一些，毕竟纹波还有其他途径解决。

额定工作电流（IDC）

IDC是电感器长期工作不损坏所允许通过的最大电流。
对相同电感量的电感器，绕制线圈的线径越粗，电感器的额定电流也越大。

如下图所示，功率电感中有两个额定电流，Saturation Current 饱和电流和Heat Rating Current温升电流，在实际选型中我们是以那个为选型依据呢？

最可靠的方法是工作电流以饱和电流与温升电流中的最小者为选型依据并且通常按照80%的降额选型。

饱和电流是指电感加电流后，电流逐渐增大时，磁芯会进入饱和状态，电感值会逐渐下降，当电感值下降到30%时的电流值称为饱和电流；

温升电流是指电感加电流后，电感物料自我温升温度不超过40℃时的电流值；

对于温升电流，实际设计中也要注意，如果电感所处的PCB周围有高发热器件，会使电感的温度上升的更加快更加高，那么选择电感时温升电流要考虑更大的余量，来避免电感温度过高；

提示：带有磁芯的电感器工作电流过大时，将引起电感量低、线圈烧毁。
【IDC取温升电流、额定电流中最小的，再考虑到降额设计，70%~80%。】

1.7.3.4 什么是温升电流、RMS电流、饱和电流、额定电流？

直流内阻（DCR）

• 同一系列电感器的电感量越大，则线圈匝数越多，内阻相应也就越大；
• 对相同匝数的电感而言，绕制线圈所用的导线直径越大，则内阻越小；
• 想通电感量的电感，其内阻越小越好；
• 线圈导线的含铜量越高，则电感的内阻越小。

提示：铝线电感、“铜包铁”电感在降低生产成本的同事，电感内阻大幅增加。
电感量较大的电感内阻可用万用表低阻档测试；太小的电感内阻只能通过专门的欧姆表或数字电桥进行精确测量。

分布电容

线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差，因而线圈的分布电容越小越好。采用分段绕法可减少分布电容。

精度

精度是指对应标称感值的精度，任何电子元器件制作出来都会存在误差，精度是衡量以标称值为中心的上下偏差，不同应用场景电感精度范围不同，以及对精度的要求也不同；

四、电感的等效模型

自谐振频率与品质因数

❷ 品质因素(Quality Factor)

五、选型与应用场景

电感的工艺大致可以分为绕线电感、多层片状电感、薄膜电感。

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。

功率电感

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。从电感本身的角度来说明如何选型。
❶ 电感值通
常应使用DCDC芯片规格书推荐的电感值；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；

通常对DCDC电路设计，要计算峰值（PEAK）电流和均方根（RMS）电流，通常规格书中会给出计算公式。

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。

❸ 直流电阻

去耦电感

• 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。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声，但磁珠与去耦电感有区别的。

• 磁珠是铁氧体材料烧制而成，高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大，高频噪声被转化成热能耗散了；
• 去耦电感是线圈和磁芯组成，主要是线圈电感起作用；
• 磁珠只能滤除较高频的噪声，低频不起作用；
• 去耦电感可以绕制成较高感值，滤除低频噪声。

• 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；
• 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。

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。

❸ 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。

• 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。

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。

扩展

• 高频电路用电感器
  电源的电感我们更关注的是它的感值、直流电阻、温升电流和额定电流，但是高频的还要关注下它的自谐振频率以及曲线
  
• 去耦电路用电感器
  就一般信号用的，其实和高频有点类似，用来滤波，更关注的也是它的频率特性还有它的直流重叠特性，阻抗特性。
  
• 电源电感
  压降，损耗
  

电源啸叫的原因

在DC-DC电源电路当中，电感是重要的组成部分，如果使用不当，易产生电感啸叫的现象。电感啸叫的原因是复杂的，既有电感自身的原因也有电源芯片的原因，归纳起来主要有以下三点：

1. DC-DC电源芯片切换工作模式导致的电感啸叫。一般DC-DC电源芯片是工作在PWM（脉冲调幅）模式的，此时的频率较高，达到几百Khz至几Mhz，该频率已超过人耳的听觉范围，故无法听到啸叫声；当电源芯片的负载电流减小时，为节省功耗、提高电源效率，有些电源芯片会自动切换到PFM（脉冲调频）模式，此时的频率较低，达到几百hz至几十Khz，该频率就有可能进入人耳，产生啸叫声。
2. 负载切换工作模式导致的电感啸叫。在电池供电的设备当中，为节省功耗，主控芯片会控制系统进入不同的工作模式，正常工作模式时系统消耗的电流较大，节电工作模式时系统消耗的电流较小，这两种工作模式周期性切换的过程中，引起电感电流频率的变化，进而产生啸叫声。
3. 电感自身振动导致的电感啸叫。导致电感振动产生的原因主要有：
   （1）磁性体磁芯产生“磁致伸缩”现象。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感中，绕组所产生的交流磁场会使磁性体磁芯发生形变，称为“磁致伸缩”或者“磁应变”，如果该现象使电感振动的频率在人耳可听范围之内，就会出现电感啸叫的声音。
   （2）磁性体磁芯被磁化导致的互相吸引。当磁性体被外界的磁场磁化时将会表现出磁铁的特性，以全屏蔽型功率电感器示例，当绕组中流过交流电流时，被磁化的鼓芯与屏蔽磁芯将会因磁力而相互吸引，若该振动在人耳可听频率范围内时，则会听到电感的啸叫声。
   （3）漏磁通导致绕组的振动。在不带有屏蔽磁芯的无屏蔽型功率电感器中，由于无屏蔽型产品为开放磁路结构，因此漏磁通会对绕组产生作用。当绕组中流过电流时，根据左手定则，力会作用于绕组上；当交流电流流过绕组时，绕组本身会发生振动，从而产生啸叫声。
   
   
   

我们知道了电感啸叫的原因，那么该如何预防呢？可以考虑从以下几点入手解决：

电感器件的手册解读

选型

• 手册
  
  
  
  注意：
  
  一般标准这里是40度，但有些国产参数达不到，温度就标的虚高了点，所以在设计的是温升电流 降额设计打折打多一点
  
  
  
  
  
  

• RAC 交流电阻

直流通过直流电阻要损耗，要产热；但是你通过R1也会产热，通过图表可知，这个电阻最小320Ω，比较大了，如果说直流过来，那它产的热也很多。R1是它交流的电阻

所以电感发热的原因不仅仅是直流电阻，还有它的交流电阻。看图分析，它的交流电阻也是随着频率变大而变大。圈圈拐点–截止频率，所以频率要远远低于截止频率。

应用案例

铜损就是电阻产生的损耗