電感的基本原理 電感的工藝結(jié)構(gòu)

一、電感的基本原理

電子學(xué)三大基本無(wú)源器件分別為電感、電阻、電容；電感是一種能將電能通過(guò)磁通量的形式儲(chǔ)存起來(lái)的被動(dòng)電子元件。通常為導(dǎo)線(xiàn)卷繞的樣子，如下圖圓柱型線(xiàn)圈為例，簡(jiǎn)單介紹下電感的基本原理。

根據(jù)右手螺旋定則，當(dāng)上圖中有恒定電流流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，會(huì)形成一個(gè)圖示方向的靜磁場(chǎng)。但電感中通過(guò)的是交變電流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)是一個(gè)交變磁場(chǎng)，在線(xiàn)圈通電瞬間產(chǎn)生的這個(gè)變化的磁場(chǎng)中馬上產(chǎn)生了一個(gè)新的電場(chǎng)，線(xiàn)圈上瞬時(shí)就有了新的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生新的感應(yīng)電流，這個(gè)新的電流總是與原來(lái)的電流逆向?qū)怪?，如此周而?fù)始，它們遵從如下原則：

● 電流變大時(shí)，磁場(chǎng)變強(qiáng)，磁場(chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)方向相同，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相反，電感電流減?。?/p>

● 電流變小時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)?，磁?chǎng)變化的方向與原磁場(chǎng)方向相反，根據(jù)左手螺旋定則，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與原電流方向相同，電感電流變大。

以上就是楞次定律，最終效果就是電感會(huì)阻礙流過(guò)的電流產(chǎn)生變化，就是電感對(duì)交變電流呈高阻抗。也就平常大家說(shuō)的電感有“通直流、阻交流”的特性。

電感的阻抗特性我們可以用兩個(gè)現(xiàn)象來(lái)描述：同樣的電感，電流變化率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高；如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，那么電感呈現(xiàn)的阻抗就越高。

如果要量化電感的阻抗值，我們知道它與兩個(gè)因素有關(guān)：一是頻率；二是電感的固有屬性，也就電感的值（L），也稱(chēng)為電感。根據(jù)理論推導(dǎo)，圓柱形線(xiàn)圈的電感公式如下：

可以看出電感值的大小與線(xiàn)圈長(zhǎng)度、橫截面積、內(nèi)部磁芯的材料、匝數(shù)等有關(guān)，與外加電流大小是無(wú)關(guān)的。

上述模型是理想模型，實(shí)際電感的特性不僅只有電感的作用，還有其他因素，如：

● 電阻性：繞制線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)不是理想導(dǎo)體，存在一定的電阻；

● 衰減性：電感的磁芯存在一定的熱損耗；

● 電容性：電感內(nèi)部的導(dǎo)體之間存在著分布電容。

因此，需要用一個(gè)較為復(fù)雜的模型來(lái)表示實(shí)際電感，常用的等效模型如下：

等效模型有不同形式，各有各的畫(huà)法，但要能體現(xiàn)它的損耗和分布電容特性。根據(jù)等效模型，可以定義實(shí)際電感的兩個(gè)重要參數(shù)。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于Cp與L一起構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)諧振電路，這個(gè)諧振頻率便稱(chēng)電感的自諧振頻率。在低于自諧振頻率的頻率下，電感的阻抗隨著頻率增加而變大趨勢(shì)；在高于自諧振頻率的頻率下，電感的阻抗隨著頻率增加而變小的趨勢(shì)，就呈現(xiàn)容性。

品質(zhì)因素(Quality Factor)

是電感儲(chǔ)存功率與損耗功率的比，也稱(chēng)為Q值，Q值越高，電感的損耗越低，和電感的直流阻抗直接相關(guān)的參數(shù)。

自諧振頻率和Q值是高頻電感的關(guān)鍵參數(shù)

二、電感的工藝結(jié)構(gòu)

電感的工藝大致可以分為3種：

2.1 繞線(xiàn)電感(Wire Wound Type)

把銅線(xiàn)繞在一個(gè)磁芯上形成一個(gè)線(xiàn)圈，繞線(xiàn)的方式有兩種：

圓柱形繞法(Round Wound)

圓柱形繞法最常用，例如：

平面形繞法(Flat Wound)

平面形繞法就像一盤(pán)平時(shí)用的蚊香！優(yōu)點(diǎn)是減小了器件的高度。

由前文介紹的公式可知，磁芯的μ越大，L值越大，實(shí)際磁芯不一定是磁材，可以是空氣、木頭、陶瓷等非磁性材料，這樣電感值較小，但是基本不存在飽和電流；真正的鐵磁材料做磁芯時(shí)，如鐵氧體，存在磁飽和現(xiàn)象，有飽和電流。

繞線(xiàn)電感可提供大電流、高感值；如果同樣的感值，采用磁芯磁導(dǎo)率越大，那繞線(xiàn)就可以少繞匝數(shù)，繞線(xiàn)少就能降低直流電阻；同樣的尺寸不變的情況，繞線(xiàn)少可以加粗，提高電流承載能力。

另外，電源設(shè)計(jì)中，有時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)有嘯叫的問(wèn)題，其實(shí)就是磁場(chǎng)的變化引起了線(xiàn)圈的振動(dòng)，振動(dòng)的頻率剛好在音頻范圍內(nèi)，人耳就可以聽(tīng)見(jiàn)，如采用合金一體成型電感，比較牢固，可以降低振動(dòng)。

2.2 多層片狀電感(Multilayer Type)

多層片狀電感的制作工藝：漿料干燥成型--印刷導(dǎo)電漿料--最后疊層--燒結(jié)成一體化結(jié)構(gòu)(Monolithic)。

多層片狀電感相比繞線(xiàn)電感優(yōu)點(diǎn)是：尺寸小、一體化結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)封裝、適合自動(dòng)化高密度貼裝、可靠性高、耐熱性好。

2.3 薄膜電感(Thin Film Type)

薄膜電感制程類(lèi)似于IC，先在基底上鍍一層導(dǎo)體膜，然后采用光刻工藝制作線(xiàn)圈，最后加介質(zhì)層、絕緣層、電極層，封裝成型。

薄膜器件的制作工藝，如下圖所示

光刻工藝精度高，制作的線(xiàn)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(wěn)定性

三、電感的應(yīng)用及選型

電感，從工藝技術(shù)上，領(lǐng)先的基本上是三大日系廠(chǎng)商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。國(guó)內(nèi)目前正在追趕但還有點(diǎn)差距。

三家都有相應(yīng)的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)曲線(xiàn)。

● SEAT 2013 - TDK

● Simsurfing - Murata

● Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

在電路設(shè)計(jì)中，電感主要有三大類(lèi)應(yīng)用：

● 功率電感：主要用于電壓轉(zhuǎn)換，常用的DCDC電路都要使用功率電感；

●去耦電感：主要用于濾除電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)上的噪聲，EMC工程師應(yīng)該熟悉；

● 高頻電感：主要用于射頻電路，實(shí)現(xiàn)偏置、匹配、濾波等電路。

3.1 功率電感

功率電感通常用于DC-DC電路中，通過(guò)積累并釋放能量來(lái)保持連續(xù)的電流。

功率電感大都是繞線(xiàn)電感，可以提高大電流、高電感；

多層片狀功率電感多用在手機(jī)類(lèi)等空間限制較大的產(chǎn)品中，通常電感值和電流都較低，優(yōu)點(diǎn)是成本較低、體積超小。

功率電感要根據(jù)所選的DC-DC芯片來(lái)選型。通常，DC-DC芯片的規(guī)格書(shū)上都有推薦的電感值，以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，這里不再贅述。

從電感本身的角度來(lái)說(shuō)明如何選型。

電感值

通常應(yīng)使用DC-DC芯片規(guī)格書(shū)推薦的電感值；L越大，紋波越小，但尺寸會(huì)變大；通常提高開(kāi)關(guān)頻率，可以使用小電感，但開(kāi)關(guān)頻率提高會(huì)增加系統(tǒng)損耗，降低效率；

額定電流

功率電感一般有兩個(gè)額定電流，即溫升電流和飽和電流；

當(dāng)電感有電流通過(guò)的時(shí)候，由于損耗的存在，電感發(fā)熱而產(chǎn)生溫升，電流越大，溫升越大；在額定的溫度范圍內(nèi)，允許的最大電流即為溫升電流。

通常使用鐵磁性材料做磁芯，增加磁芯的磁導(dǎo)率，可以提高電感值。但鐵磁性材料存在磁飽和現(xiàn)象，即當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不在增加，即磁導(dǎo)率下降了，也就是電感下降了。在額定電感值范圍內(nèi)，允許的最大電流即為飽和電流。

磁滯回線(xiàn)

通常對(duì)DC-DC電路設(shè)計(jì)，要計(jì)算峰值電流（PEAK）和均方根電流（RMS）（查規(guī)格書(shū)中給出計(jì)算公式）。選擇電感時(shí)，設(shè)計(jì)RMS電流低于電感溫升電流。溫升電流是對(duì)電感熱效應(yīng)的評(píng)估，根據(jù)焦耳定律，熱效應(yīng)需要考慮一段時(shí)間內(nèi)的電流對(duì)時(shí)間的積分；為了保證在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)電感值穩(wěn)定，設(shè)計(jì)峰值電流不能超過(guò)電感的飽和電流。通常建議工作值應(yīng)降額到不高于額定值的80%，當(dāng)然降額幅度過(guò)大會(huì)大幅提高成本，提高可靠性的同時(shí)需要綜合考慮成本。

直流電阻

電感的直流電阻會(huì)產(chǎn)生熱損耗，導(dǎo)致溫升，降低DC-DC效率；因此，當(dāng)對(duì)效率敏感時(shí)，應(yīng)選擇直流阻抗低的電感，例如15毫歐。

還有就是根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用溫度要求、是否需要滿(mǎn)足RoHS、汽車(chē)級(jí)Q200等標(biāo)準(zhǔn)的要求、還有PCB結(jié)構(gòu)限制。

大電流的應(yīng)用，電感的漏磁就會(huì)相當(dāng)可觀，會(huì)對(duì)周?chē)娐?，例如?duì)CPU等造成無(wú)法啟動(dòng)的現(xiàn)象。因此，大電流應(yīng)用，應(yīng)選擇屏蔽性能好的電感并且Layout時(shí)注意避開(kāi)關(guān)鍵信號(hào)。

3.2 去耦電感

也叫Choke，常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線(xiàn)路上的干擾，屬于EMC器件，EMC工程師主要用來(lái)解決產(chǎn)品的輻射發(fā)射(RE)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE)的測(cè)試問(wèn)題。

去耦電感，通常結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大都是銅絲直接繞在鐵氧體環(huán)上。個(gè)人覺(jué)得可以分為差模電感和共模電感。

差模電感

差模電感就是普通的繞線(xiàn)電感，與電容一起構(gòu)成LC濾波器，用于濾除一些差模干擾，減小電源噪聲。

差模電感選型需要注意一下幾點(diǎn)：

? 符合工作要求的直流電阻、額定電壓、額定電流；

? 滿(mǎn)足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸要求；

? 通過(guò)測(cè)試確定噪聲的頻段，再查閱電感的阻抗曲線(xiàn)來(lái)選擇電感；

? 設(shè)計(jì)前要計(jì)算或仿真LC濾波器。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用來(lái)濾除主板上的低壓直流電源的噪聲，與去耦電感之間的區(qū)別是：

? 磁珠是鐵氧體材料制成，高頻時(shí)鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大，把高頻噪聲轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉；

? 去耦電感是線(xiàn)圈繞在磁芯上，主要是線(xiàn)圈電感起作用濾除無(wú)用信號(hào)；

? 磁珠能高效濾除較高頻的噪聲，但地低頻噪聲不起作用；

? 去耦電感可以感值做得較高，能有效濾除低頻噪聲。

磁珠等效電路模型

共模電感

共模電感就是在同一個(gè)鐵氧體環(huán)上繞制兩個(gè)匝數(shù)相同、繞向相反的線(xiàn)圈。

如上圖所示的共模電感：

● 當(dāng)有差模成分流過(guò)共模電感時(shí)，根據(jù)右手定則，會(huì)在兩個(gè)線(xiàn)圈形成方向相反的磁場(chǎng)，相互抵消，相當(dāng)于對(duì)差模信號(hào)存在較低的感抗。

● 當(dāng)有共模成分流過(guò)共模電感時(shí)，根據(jù)右手定則，會(huì)在兩個(gè)線(xiàn)圈形成方向相同的磁場(chǎng)，相互加強(qiáng)，相當(dāng)于對(duì)共模信號(hào)存在較高的感抗；

換一個(gè)方式理解：假設(shè)V+上流過(guò)一個(gè)頻率的共模干擾，形成的交變磁場(chǎng)，同時(shí)會(huì)在另一個(gè)線(xiàn)圈上形成一個(gè)感應(yīng)電流，根據(jù)左手定則，感應(yīng)電流的方向與V-上共模干擾的方向剛好相反，這樣就抵消了一部分，減小了共模干擾。

共模電感主要用于雙線(xiàn)或者差分系統(tǒng)，如HDMI信號(hào)、CAN總線(xiàn)、USB信號(hào)、220V市電等等。在濾除共模干擾的同時(shí)，有用的差分信號(hào)衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點(diǎn)：

● 低直流阻抗，不能對(duì)電壓或有用信號(hào)產(chǎn)生較大影響；

● 考慮額定電壓和額定電流，滿(mǎn)足電源工作要求；

● 通過(guò)測(cè)試確定共模干擾的頻段，在該頻段內(nèi)共模阻抗應(yīng)該較高；

● 差模阻抗要小，不能對(duì)差分信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響；

● 考慮封裝尺寸，做兼容性設(shè)計(jì)。例如用于USB信號(hào)的共模電感，選擇封裝可以與兩個(gè)0402的電阻做兼容，不需要共模電感時(shí)，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。

如果共模干擾頻率在10MHz左右，濾波效果很好，但如果是100kHz，可能就沒(méi)什么效果。如果差分信號(hào)速率較高，100M以上，可能就會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。

3.3 高頻電感

高頻電感主要應(yīng)用于手機(jī)、無(wú)線(xiàn)路由器等產(chǎn)品的射頻電路中，從100MHz到6GHz都有應(yīng)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(wǎng)絡(luò)，減小傳輸線(xiàn)與器件之間的阻抗失配引起的信號(hào)反射，降低損耗提高效率；

● 濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾除一些噪聲頻率成分，防止干擾器件工作；

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

● 巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉(zhuǎn)換，與電容一起構(gòu)成LC巴侖，實(shí)現(xiàn)單端射頻信號(hào)與差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

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

高頻電感的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

多層型

多層型通過(guò)燒結(jié)，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，或叫獨(dú)石型(Monolithic)

多層片狀電感的，相比于其他兩種就是Q值最低，最大的優(yōu)勢(shì)就是成本低，性?xún)r(jià)比高，適合于大多數(shù)沒(méi)有特殊要求的應(yīng)用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型，沒(méi)有繞線(xiàn)型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，這三個(gè)系列的產(chǎn)品基本一樣，最便宜，性?xún)r(jià)比高。

當(dāng)然隨著工藝技術(shù)的提升，現(xiàn)在也有高Q值系列的多層片狀電感，例如TDK的MHQ系列、太陽(yáng)誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個(gè)MLG系列，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(jià)格還便宜。

繞線(xiàn)型

現(xiàn)在的工藝水平已經(jīng)越來(lái)越高，繞線(xiàn)電感也可以做到0402封裝。

繞線(xiàn)型工藝，其導(dǎo)線(xiàn)可以做到比多層和薄膜結(jié)構(gòu)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(shí)可以支持較大的電流。將無(wú)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(yīng)用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封裝，號(hào)稱(chēng)世界上最小的繞線(xiàn)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(wěn)定，Q值較高。

Murata的LQP系列，可以做到01005封裝，高精度產(chǎn)品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，這三個(gè)參數(shù)值可以說(shuō)是當(dāng)前電感的極限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小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(duì)比。

可以看出繞線(xiàn)型的Q值明顯高于其他兩種，而薄膜型的電感值的頻率穩(wěn)定性高于其他兩種。當(dāng)然，多層型的成本明顯低于其他兩種。

選擇高頻電感時(shí)，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(guān)注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩(wěn)定性。

電感值通常需要根據(jù)仿真、實(shí)際調(diào)試或者參考設(shè)計(jì)來(lái)確定。大多數(shù)情況，多層片狀高頻電感已能滿(mǎn)足要求，一些特殊場(chǎng)合可能需要關(guān)注：

● 電感值較大，自諧振頻率較低，需要注意工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于自諧振頻率。

● 大功率射頻設(shè)備，PA偏置電流較大，需要選擇繞線(xiàn)型以滿(mǎn)足電流要求；同時(shí)大功率設(shè)備溫升較高，需要考慮工作溫度；

● 對(duì)于一些寬帶設(shè)備，需要電感值在帶寬內(nèi)穩(wěn)定，那么應(yīng)選擇薄膜電感；

● 對(duì)于高精度的VCO電路中，作為L(zhǎng)C諧振源，只有薄膜電感能提高0.05nH的容差；

● 像手機(jī)、穿戴式設(shè)備，尺寸可能是最關(guān)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?qū)﹄姼兄涤幸欢ㄓ绊?，如下圖所示：

可以看出，標(biāo)記點(diǎn)朝側(cè)面，感值變化較大，所以貼片時(shí)應(yīng)注意讓電感上的標(biāo)記點(diǎn)朝上。

另外，Layout時(shí)，應(yīng)注意兩個(gè)電感不能緊鄰著放置，至少距離20mil以上。原因就是磁場(chǎng)會(huì)相互影響，從而影響感值，參考前文共模電感示意圖。

結(jié)語(yǔ)：選型要清楚器件的原理和應(yīng)用，綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素。