一、電感的基本原理

 

電感，和電容、電阻一起，是電子學三大基本無源器件
；電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量。

 

以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理

 

 

如ru上shang圖tu所suo示shi
，當dang恒heng定ding電dian流liu流liu過guo線xian圈quan時shi，根gen據ju右you手shou螺luo旋xuan定ding則ze，會hui形xing成cheng一yi個ge圖tu示shi方fang向xiang的de靜jing磁ci場chang。而er電dian感gan中zhong流liu過guo交jiao變bian電dian流liu
，產chan生sheng的de磁ci場chang就jiu是shi交jiao變bian磁ci場chang，變bian化hua的de磁ci場chang產chan生sheng電dian場chang，線xian圈quan上shang就jiu有you感gan應ying電dian動dong勢shi，產chan生sheng感gan應ying電dian流liu：

 

● 電流變大時，磁場變強，磁場變化的方向與原磁場方向相同，根據左手螺旋定則

，產生的感應電流與原電流方向相反，電感電流減小；

● 電流變小時
，磁場變弱
，磁場變化的方向與原磁場方向相反
，根據左手螺旋定則，產生的感應電流與原電流方向相同，電感電流變大。

 

以(yi)上(shang)就(jiu)是(shi)楞(leng)次(ci)定(ding)律(lv)，最(zui)終(zhong)效(xiao)果(guo)就(jiu)是(shi)電(dian)感(gan)會(hui)阻(zu)礙(ai)流(liu)過(guo)的(de)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)變(bian)化(hua)
，就(jiu)是(shi)電(dian)感(gan)對(dui)交(jiao)變(bian)電(dian)流(liu)呈(cheng)高(gao)阻(zu)抗(kang)。同(tong)樣(yang)的(de)電(dian)感(gan)，電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)率(lv)越(yue)高(gao)，產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)越(yue)大(da)
，那(na)麼(me)電(dian)感(gan)呈(cheng)現(xian)的(de)阻(zu)抗(kang)就(jiu)越(yue)高(gao)
；如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產生的感應電流越大，那麼電感呈現的阻抗就越高。

 

所以，電感的阻抗於兩個因素有關：一是頻率；二是電感的固有屬性
，也就電感的值
，也稱為電感。根據理論推導，圓柱形線圈的電感公式如下：

 

 

可以看出電感的大小與線圈的大小及內芯的材料有關。

 

實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：

 

● 繞製線圈的導線不是理想導體
，存在一定的電阻

；

● 電感的磁芯存在一定的熱損耗；

● 電感內部的導體之間存在著分布電容。

 

因此，需要用一個較為複雜的模型來表示實際電感

，常用的等效模型如下：

 

 

等效模型形式可能不同
，但要能體現損耗和分布電容。根據等效模型，可以定義實際電感的兩個重要參數。

 

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

 

由於Cp的存在
，與L一起構成了一個諧振電路，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；在自諧振頻率後，電感的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現容性。

 

品質因素(Quality Factor)

 

 

也就是電感的Q值
，電感儲存功率與損耗功率的比
，Q值越高，電感的損耗越低，和電感的直流阻抗直接相關的參數。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數

 

二
、電感的工藝結構

 

電感的工藝大致可以分為3種：

 

2.1 繞線電感(Wire Wound Type)

 

顧名思義就是把銅線繞在一個磁芯上形成一個線圈
，繞線的方式有兩種：

 

圓柱形繞法(Round Wound)

 

圓柱形繞法很常見，應用也很廣
，例如：

 

圖片來自Bing，彩虹圈
，應該是出彩中國人

 

平麵形繞法(Flat Wound)

 

平麵形繞法也很常見，大家一定見過一掰就斷的蚊香

 

圖片來自Bing，蚊香

 

平麵形繞法優點很明顯，就是減小了器件的高度。

 

由前文的公式可知，磁芯的磁導率越大，電感值越大，磁芯可以是

 

● 非磁性材料：例如空氣芯
、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；這樣電感值較小
，但是基本不存在飽和電流

● 鐵磁性材料：例如鐵氧體
、波莫合金等等；合金磁導率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現象
，有飽和電流。

 

繞線電感可提供大電流、高感值；磁芯磁導率越大，同樣的感值，繞線就少

，繞線少就能降低直流電阻；同樣的尺寸，繞線少可以繞粗，提高電流。

 

另(ling)外(wai)，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)，經(jing)常(chang)遇(yu)到(dao)電(dian)感(gan)嘯(xiao)叫(jiao)的(de)問(wen)題(ti)，本(ben)質(zhi)就(jiu)是(shi)磁(ci)場(chang)的(de)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)了(le)導(dao)體(ti)

，也(ye)就(jiu)是(shi)線(xian)圈(quan)的(de)振(zhen)動(dong)，振(zhen)動(dong)的(de)頻(pin)率(lv)剛(gang)好(hao)在(zai)音(yin)頻(pin)範(fan)圍(wei)內(nei)，人(ren)耳(er)就(jiu)可(ke)以(yi)聽(ting)見(jian)，合(he)金(jin)一(yi)體(ti)成(cheng)型(xing)電(dian)感(gan)

，比(bi)較(jiao)牢(lao)固(gu)，可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)振(zhen)動(dong)。

 

2.2 多層片狀電感(Multilayer Type)

 

多層片狀電感的製作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料幹燥成型，交替印刷導電漿料
，最後疊層
、燒結成一體化結構(Monolithic)。

 

引自The Wonders of Electromagnetism

 

多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標準化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結構
，可靠性高
，耐熱性好。

 

2.3 薄膜電感(Thin Film Type)

 

薄膜電感采用的是類似於IC製作的工藝，在基底上鍍一層導體膜
，然後采用光刻工藝形成線圈，最後增加介質層、絕緣層、電極層，封裝成型。

 

薄膜器件的製作工藝
，如下圖所示

 

 

光刻工藝的精度很高，製作出來的線條更窄、邊緣更清晰。因此
，薄膜電感具有

 

● 更小的尺寸，008004封裝

● 更小的Value Step
，0.1nH

● 更小的容差，0.05nH

● 更好的頻率穩定性

 

三

、電感的應用及選型

 

電感
，從工藝技術上，領先的基本上是三大日係廠商：TDK

、Murata、Taiyo Yuden。這三家的產品線完整，基本上可以滿足大多數需求。

 

三家都有相應的選型軟件
，有電感、電容等所有係列的產品及相關參數曲線。

 

● SEAT 2013 - TDK

● Simsurfing - Murata

● Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

 

個人感覺TDK和Murata更領先一點
，從官網的質量看出來的
，像Coilcraft的官網就low一點，畢竟網站也是需要投資的。

 

在電路設計中，電感主要有三大類應用：

 

● 功率電感：主要用於電壓轉換，常用的DCDC電路都要使用功率電感；

● 去耦電感：主要用於濾除電源線或信號線上的噪聲，EMC工程師應該熟悉；

● 高頻電感：主要用於射頻電路
，實現偏置、匹配
、濾波等電路。

 

3.1 功率電感

 

功率電感通常用於DCDC電路中，通過積累並釋放能量來保持連續的電流。

 

功率電感大都是繞線電感，可以提高大電流

、高電感；

 

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

 

多層片狀功率電感也越來越多，通常電感值和電流都較低，優點是成本較低、體積超小，在手機等空間限製較大的產品中有較多應用。

 

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

 

功率電感需要根據所選的DCDC芯片來選型。通常，DCDC芯片的規格書上都有推薦的電感值

，以及相關參數的計算
，這裏不再贅述。從電感本身的角度來說明如何選型。

 

上圖截圖至TY-COMPAS

 

電感值

 

通常應使用DCDC芯片規格書推薦的電感值；電感值越大，紋波越小，但尺寸會變大；通常提高開關頻率，可以使用小電感，但開關頻率提高會增加係統損耗，降低效率
；

 

額定電流

 

功率電感一般有兩個額定電流，即溫升電流和飽和電流
；

 

當電感有電流通過的時候，由於損耗的存在
，電感發熱而產生溫升，電流越大
，溫升越大；在額定的溫度範圍內，允許的最大電流即為溫升電流。

 

增zeng加jia磁ci芯xin的de磁ci導dao率lv

，可ke以yi提ti高gao電dian感gan值zhi，通tong常chang使shi用yong鐵tie磁ci性xing材cai料liao做zuo磁ci芯xin。鐵tie磁ci性xing材cai料liao存cun在zai磁ci飽bao和he現xian象xiang，即ji當dang磁ci場chang強qiang度du超chao過guo一yi定ding值zhi時shi
，磁ci感gan應ying強qiang度du不bu在zai增zeng加jia
，即ji磁ci導dao率lv下xia降jiang了le，也ye就jiu是shi電dian感gan下xia降jiang了le。在zai額e定ding電dian感gan值zhi範fan圍wei內nei，允yun許xu的de最zui大da電dian流liu即ji為wei飽bao和he電dian流liu。

 

 

磁滯回線：磁性材料-------鐵氧磁體,比重計
，多孔性材料密度儀
，液體密度計，固體顆粒體積測試儀，磁性材料密度儀。

 

通常對DCDC電路設計，要計算峰值（PEAK）電流和均方根（RMS）電流，通常規格書中會給出計算公式。

 

溫升電流是對電感熱效應的評估，根據焦耳定律，熱效應需要考慮一段時間內的電流對時間的積分；選擇電感時，設計RMS電流不能超過電感溫升電流。

 

為了保證在設計範圍內電感值穩定，設計峰值電流不能超過電感的飽和電流。

 

為了提高可靠性
，降額設計是必須的，通常建議工作值應降額到不高於額定值的80%。當然降額幅度過大會大幅提高成本
，需要綜合考慮。

 

直流電阻

 

電感的直流電阻會產生熱損耗
，導致溫升
，降低DCDC效率
；因此
，當對效率敏感時，應選擇直流阻抗低的電感，例如15毫歐。

 

還有就是根據產品的應用溫度要求、是否需要滿足RoHS
、汽車級Q200等標準的要求、還有PCB結構限製。

 

大電流的應用，電感的漏磁就會相當可觀，會對周圍電路

，例如CPU等造成影響。我之前就遇到過X86的CORE電的電感漏磁造成CPU無法啟動的現象。因此

，大電流應用，應選擇屏蔽性能好的電感並且Layout時注意避開關鍵信號。

 

3.2 去耦電感

 

去耦電感也叫Choke，教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的幹擾，屬於EMC器件

，EMC工程師主要用來解決產品的輻射發射(RE)和傳導發射(CE)的測試問題。

 

去(qu)耦(ou)電(dian)感(gan)，通(tong)常(chang)結(jie)構(gou)比(bi)較(jiao)簡(jian)單(dan)，大(da)都(dou)是(shi)銅(tong)絲(si)直(zhi)接(jie)繞(rao)在(zai)鐵(tie)氧(yang)體(ti)環(huan)上(shang)。個(ge)人(ren)覺(jiao)得(de)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)差(cha)模(mo)電(dian)感(gan)和(he)共(gong)模(mo)電(dian)感(gan)。這(zhe)裏(li)不(bu)再(zai)贅(zhui)述(shu)共(gong)模(mo)和(he)差(cha)模(mo)的(de)概(gai)念(nian)。

 

差模電感

 

差模電感就是普通的繞線電感
，用於濾除一些差模幹擾，主要就是與電容一起構成LC濾波器
，減小電源噪聲。

 

 

對於220V市電，差模幹擾就是L相到N相之間的幹擾

；對POE來說
，就是POE+和POE-之間的幹擾
；對於主板上的低壓直流電源，其實就是電源噪聲。

 

差模電感選型需要注意一下幾點：

 

• 直流電阻
、額定電壓和電流
，要滿足工作要求；

• 結構尺寸滿足產品要求

；

• 通過測試確定噪聲的頻段，根據電感的阻抗曲線選擇電感；

• 設計LC濾波器
，可以做簡單的計算和仿真。

 

磁珠(Ferrite Bead)，也常用來濾除主板上的低壓直流電源的噪聲，但磁珠與去耦電感有區別的。

 

• 磁珠是鐵氧體材料燒製而成，高頻時鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大
，高頻噪聲被轉化成熱能耗散了；

• 去耦電感是線圈和磁芯組成，主要是線圈電感起作用
；

• 磁珠隻能濾除較高頻的噪聲

，低頻不起作用；

• 去耦電感可以繞製成較高感值
，濾除低頻噪聲。

 

磁珠等效電路模型

 

 

共模電感  

 

共模電感就是在同一個鐵氧體環上繞製兩個匝數相同
、繞向相反的線圈。

 

 

如上圖所示的共模電感：

 

● 當有共模成分流過共模電感時，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相同的磁場
，相互加強

，相當於對共模信號存在較高的感抗；

● 當有差模成分流過共模電感時
，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相反的磁場，相互抵消，相當於對差模信號存在較低的感抗。

 

換一個方式理解：當V+上流過一個頻率的共模幹擾，形成的交變磁場，會在另一個線圈上形成一個感應電流，根據左手定則，感應電流的方向與V-上共模幹擾的方向相反，就抵消了一部分，減小了共模幹擾。

 

共模電感主要用於雙線或者差分係統，如220V市電
、CAN總線、USB信號、HDMI信號等等。用於濾除共模幹擾
，同時有用的差分信號衰減較小。

 

共模電感選型需要注意一下幾點：

 

● 直流阻抗要低
，不能對電壓或有用信號產生較大影響；

● 用於電源線的話


，要考慮額定電壓和電流

，滿足工作要求；

● 通過測試確定共模幹擾的頻段
，在該頻段內共模阻抗應該較高；

● 差模阻抗要小，不能對差分信號的質量產生較大影響；

● 考慮封裝尺寸，做兼容性設計。例如用於USB信號的共模電感
，選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容

，不需要共模電感時，可以直接焊0402電阻，降低成本。

 

下圖是某共模電感的共模阻抗和差模阻抗。

 

 

如果共模幹擾頻率在10MHz左右，濾波效果很好
，但如果是100kHz，可能就沒什麼效果。如果差分信號速率較高
，100M以上，可能就會影響信號質量。

 

3.3 高頻電感

 

高頻電感主要應用於手機、無線路由器等產品的射頻電路中
，從100MHz到6GHz都有應用。

 

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用：

 

● 匹配(Matching)：與電容一起組成匹配網絡，消除器件與傳輸線之間的阻抗失配，減小反射和損耗

；

● 濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾出一些不想要的頻率成分

，防止幹擾器件工作；

● 隔離交流(Choke)：在PA等有源射頻電路中
，將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離；

● 諧振(Resonance)：與電容一起構成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；

● 巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉換，與電容一起構成LC巴侖
，實現單端射頻信號與差分信號之間的轉換。

 

之前介紹的三種結構

，都可以用來製作高頻電感，下麵介紹下他們的特點：

 

多層型

 

多層型通過燒結，形成一個整體結構，或叫獨石型(Monolithic)

 

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

 

多層片狀電感的，相比於其他兩種就是Q值最低，最大的優勢就是成本低，性價比高
，適合於大多數沒有特殊要求的應用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都隻有多層型
，沒有繞線型和薄膜型。

 

TDK的MLK係列、Murata的LQG係列、Taiyo Yuden的HK係列
，這三個係列的產品基本一樣，最便宜，性價比高。

 

當然隨著工藝技術的提升，現在也有高Q值係列的多層片狀電感，例如TDK的MHQ係列
、太陽誘電的HKQ係列。

 

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個MLG係列，有0402封裝
，感值可以做0.3nH
，Value Step 0.1nH，容差0.1nH

，接近薄膜電感的性能，價格還便宜。

 

繞線型

 

現在的工藝水平已經越來越高，繞線電感也可以做到0402封裝。

 

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

 

繞線型工藝，其導線可以做到比多層和薄膜結構粗
，因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值，同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯，可以得到較高的感值
，可以應用與中頻。

 

Murata的LQW係列可以做到03015封裝，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS係列
，可以做到0201封裝，號稱世界上最小的繞線電感。

 

薄膜型

 

采用光刻工藝
，工藝精度極高

，因此電感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高
，感值穩定，Q值較高。

 

圖出自Murata Chip Inductor Catalog

 

Murata的LQP係列
，可以做到01005封裝，高精度產品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH
，這三個參數值可以說是當前電感的極限了。其他
，像Abracon的ATFC-0201HQ係列也可以做到最小0.1nH。

 

Murata有三種工藝的高頻電感
，選擇了同感值(1.5nH)

、同封裝、同容差的電感對比。

 

 

可以看出繞線型的Q值明顯高於其他兩種
，而薄膜型的電感值的頻率穩定性高於其他兩種。當然
，多層型的成本明顯低於其他兩種。

 

選擇高頻電感時，除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度
、封裝尺寸外，還要關注自諧振頻率、Q值
、電感值容差、電感值頻率穩定性。

 

電感值通常需要根據仿真、實際調試或者參考設計來確定。大多數情況，多層片狀高頻電感已能滿足要求
，一些特殊場合可能需要關注：

 

● 電感值較大，自諧振頻率較低

，需要注意工作頻率應遠低於自諧振頻率。

● 大功率射頻設備
，PA偏置電流較大，需要選擇繞線型以滿足電流要求；同時大功率設備溫升較高，需要考慮工作溫度；

● 對於一些寬帶設備
，需要電感值在帶寬內穩定
，那麼應選擇薄膜電感；

● 對於高精度的VCO電路中，作為LC諧振源，隻有薄膜電感能提高0.05nH的容差；

● 像手機、穿戴式設備

，尺寸可能是最關鍵的因素，薄膜電感可能是比較好的選擇。

 

有一些高頻電感具有方向性，貼片安裝的方向對電感值有一定影響，如下圖所示：

 

引自Why is there a direction mark on inductors?

 

可以看出，標記點朝側麵，感值變化較大，所以貼片時應注意讓電感上的標記點朝上。

 

另外，Layout時

，應注意兩個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，參考前文共模電感示意圖。

 

結語：選型要清楚器件的原理和應用，綜合考慮成本、降額
、兼容性等多種因素。

 

 

推薦閱讀：