干货 | 手把手教你电感该若何选型

一、电感的基本事理

电感，和电容、电阻一起，是电子学三大基本无源器件；电感的功能便是以磁场能的形式储存电能量。

以圆柱型线圈为例，大略先容下电感的基本事理

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，产生的磁场便是交变磁场，变革的磁场产生电场，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，磁场变革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，磁场变革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。

以上便是楞次定律，终极效果便是电感会阻碍流过的电流产生变革，便是电感对交变电流呈高阻抗。
同样的电感，电流变革率越高，产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高；如果同样的电流变革率，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。

以是，电感的阻抗于两个成分有关：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浸染，还有其他成分，如：

绕制线圈的导线不是空想导体，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，须要用一个较为繁芜的模型来表示实际电感，常用的等效模型如下：

等效模型形式可能不同，但要能表示损耗和分布电容。
根据等效模型，可以定义实际电感的两个主要参数。

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。

品质成分(Quality Factor)

也便是电感的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干系的参数。
自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数

二、电感的工艺构造

电感的工艺大致可以分为3种：

2.1 绕线电感(Wire Wound Type)

顾名思义便是把铜线绕在一个磁芯上形成一个线圈，绕线的办法有两种：

圆柱形绕法(Round Wound)

圆柱形绕法很常见，运用也很广，例如：

图片来自Bing，彩虹圈，该当是出彩中国人

平面形绕法(Flat Wound)

平面形绕法也很常见，大家一定见过一掰就断的蚊喷鼻香

图片来自Bing，蚊喷鼻香

平面形绕法优点很明显，便是减小了器件的高度。

由前文的公式可知，磁芯的磁导率越大，电感值越大，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征象，有饱和电流。

绕线电感可供应大电流、高感值；磁芯磁导率越大，同样的感值，绕线就少，绕线少就能降落直流电阻；同样的尺寸，绕线少可以绕粗，提高电流。

其余，电源设计中，常常碰着电感啸叫的问题，实质便是磁场的变革引起了导体，也便是线圈的振动，振动的频率刚好在音频范围内，人耳就可以听见，合金一体成型电感，比较稳定，可以减少振动。

2.2 多层片状电感(Multilayer Type)

多层片状电感的制作工艺：将铁氧体或陶瓷浆料干燥成型，交替印刷导电浆料，末了叠层、烧结成一体化构造(Monolithic)。

引自The Wonders of Electromagnetism

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

2.3 薄膜电感(Thin Film Type)

薄膜电感采取的是类似于IC制作的工艺，在基底上镀一层导体膜，然后采取光刻工艺形成线圈，末了增加介质层、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

三、电感的运用及选型

电感，从工艺技能上，领先的基本上是三大日系厂商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。
这三家的产品线完全，基本上可以知足大多数需求。

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干系参数曲线。

SEAT 2013 - TDKSimsurfing - MurataTaiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

个人觉得TDK和Murata更领先一点，从官网的质量看出来的，像Coilcraft的官网就low一点，毕竟网站也是须要投资的。

在电路设计中，电感紧张有三大类运用：

功率电感：紧张用于电压转换，常用的DCDC电路都要利用功率电感；去耦电感：紧张用于滤除电源线或旗子暗记线上的噪声，EMC工程师该当熟习；高频电感：紧张用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。

3.1 功率电感

功率电感常日用于DCDC电路中，通过积累并开释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；

图出自Murata Chip Inductor Catalog

多层片状功率电感也越来越多，常日电感值和电流都较低，优点是本钱较低、体积超小，在手机等空间限定较大的产品中有较多运用。

图出自Murata Chip Inductor Catalog

功率电感须要根据所选的DCDC芯片来选型。
常日，DCDC芯片的规格书上都有推举的电感值，以及干系参数的打算，这里不再赘述。
从电感本身的角度来解释如何选型。

上图截图至TY-COMPAS

电感值

常日应利用DCDC芯片规格书推举的电感值；电感值越大，纹波越小，但尺寸会变大；常日提高开关频率，可以利用小电感，但开关频率提高会增加系统损耗，降落效率；

额定电流

功率电感一样平常有两个额定电流，即温升电流和饱和电流；

当电感有电流利过的时候，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，许可的最大电流即为温升电流。

增加磁芯的磁导率，可以提高电感值，常日利用铁磁性材料做磁芯。
铁磁性材料存在磁饱和征象，即当磁场强度超过一定值时，磁感应强度不在增加，即磁导率低落了，也便是电感低落了。
在额定电感值范围内，许可的最大电流即为饱和电流。

磁滞回线：磁性材料-------铁氧磁体,比重计，多孔性材料密度仪，液体密度计，固体颗粒体积测试仪，磁性材料密度仪。

常日对DCDC电路设计，要打算峰值（PEAK）电流和均方根（RMS）电流，常日规格书中会给出打算公式。

温升电流是对电感热效应的评估，根据焦耳定律，热效应须要考虑一段韶光内的电流对韶光的积分；选择电感时，设计RMS电流不能超过电感温升电流。

为了担保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，常日建议事情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本钱，须要综合考虑。

直流电阻

电感的直流电阻会产生热损耗，导致温升，降落DCDC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。

还有便是根据产品的运用温度哀求、是否须要知足RoHS、汽车级Q200等标准的哀求、还有PCB构造限定。

大电流的运用，电感的漏磁就会相称可不雅观，会对周围电路，例如CPU等造成影响。
我之前就碰着过X86的CORE电的电感漏磁造成CPU无法启动的征象。
因此，大电流运用，应选择屏蔽性能好的电感并且Layout时把稳避开关键旗子暗记。

3.2 去耦电感

去耦电感也叫Choke，教科书上常日翻译成扼流圈。
去耦电感的浸染是滤除线路上的滋扰，属于EMC器件，EMC工程师紧张用来办理产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。

去耦电感，常日构造比较大略，大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。
个人以为可以分为差模电感和共模电感。
这里不再赘述共模和差模的观点。

差模电感

差模电感便是普通的绕线电感，用于滤除一些差模滋扰，紧张便是与电容一起构成LC滤波器，减小电源噪声。

对付220V市电，差模滋扰便是L相到N相之间的滋扰；对POE来说，便是POE+和POE-之间的滋扰；对付主板上的低压直流电源，实在便是电源噪声。

差模电感选型须要把稳一下几点：

• 直流电阻、额定电压和电流，要知足事情哀求；

• 构造尺寸知足产品哀求；

• 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，可以做大略的打算和仿真。

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差异的。

• 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，紧张是线圈电感起浸染；

• 磁珠只能滤除较高频的噪声，低频不起浸染；

• 去耦电感可以绕制成较高感值，滤除低频噪声。

磁珠等效电路模型

共模电感

共模电感便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：

当有共模身分流过共模电感时，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，相称于对共模旗子暗记存在较高的感抗；当有差模身分流过共模电感时，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，相称于对差模旗子暗记存在较低的感抗。

换一个办法理解：当V+上流过一个频率的共模滋扰，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-上共模滋扰的方向相反，就抵消了一部分，减小了共模滋扰。

共模电感紧张用于双线或者差分系统，如220V市电、CAN总线、USB旗子暗记、HDMI旗子暗记等等。
用于滤除共模滋扰，同时有用的差分旗子暗记衰减较小。

共模电感选型须要把稳一下几点：

直流阻抗要低，不能对电压或有用旗子暗记产生较大影响；用于电源线的话，要考虑额定电压和电流，知足事情哀求；通过测试确定共模滋扰的频段，在该频段内共模阻抗该当较高；差模阻抗要小，不能对差分旗子暗记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旗子暗记的共模电感，选择封装可以与两个0402的电阻做兼容，不须要共模电感时，可以直接焊0402电阻，降落本钱。

下图是某共模电感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模滋扰频率在10MHz旁边，滤波效果很好，但如果是100kHz，可能就没什么效果。
如果差分旗子暗记速率较高，100M以上，可能就会影响旗子暗记质量。

3.3 高频电感

高频电感紧张运用于手机、无线路由器等产品的射频电路中，从100MHz到6GHz都有运用。

高频电感在射频电路中紧张有以下几种浸染：

匹配(Matching)：与电容一起组成匹配网络，肃清器件与传输线之间的阻抗失落配，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身分，防止滋扰器件事情；隔离互换(Choke)：在PA等有源射频电路中，将射频旗子暗记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，实现单端射频旗子暗记与差分旗子暗记之间的转换。

之前先容的三种构造，都可以用来制作高频电感，下面先容下他们的特点：

多层型

多层型通过烧结，形成一个整体构造，或叫独石型(Monolithic)

图出自Murata Chip Inductor Catalog

多层片状电感的，比较于其他两种便是Q值最低，最大的上风便是本钱低，性价比高，适宜于大多数没有分外哀求的运用。
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。

当然随着工艺技能的提升，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，靠近薄膜电感的性能，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。

图出自Murata Chip Inductor Catalog

绕线型工艺，其导线可以做到比多层和薄膜构造粗，因此可以得到极低的直流电阻。
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，可以运用与中频。

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，号称天下上最小的绕线电感。

薄膜型

采取光刻工艺，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。

图出自Murata Chip Inductor Catalog

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、同容差的电感比拟。

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，多层型的本钱明显低于其他两种。

选择高频电感时，除了须要确定电感值、额定电流、事情温度、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。

电感值常日须要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。
大多数情形，多层片状高频电感已能知足哀求，一些分外场合可能须要关注：

电感值较大，自谐振频率较低，须要把稳事情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，须要选择绕线型以知足电流哀求；同时大功率设备温升较高，须要考虑事情温度；对付一些宽带设备，须要电感值在带宽内稳定，那么应选择薄膜电感；对付高精度的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、穿着式设备，尺寸可能是最关键的成分，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：

引自Why is there a direction mark on inductors?

可以看出，标记点朝侧面，感值变革较大，以是贴片时应把稳让电感上的标记点朝上。

其余，Layout时，应把稳两个电感不能紧邻着放置，至少间隔20mil以上。
缘故原由便是磁场会相互影响，从而影响感值，参考前文共模电感示意图。

结语：选型要清楚器件的事理和运用，综合考虑本钱、降额、兼容性等多种成分。

来源：zhihu。