1.电感知识概述

1.1 电感的阿构成

图1.1 电感器（绕线）实物模型

线圈（DCR，铜损）

①单股漆包线

②扁平线:大电流应用

③多股细漆包线:降低表面电阻造成的损耗（无线充电系统中会使用高频交流电流，随频率的增加交流电流发生趋肤效应，使得损耗增加）

常用磁芯材料

①合金磁材料

②磁粉芯

③铁氧体

两大类：锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。

锰锌铁氧体电阻率较低，通常工作在低频场合；镍锌铁氧体则相反。除共模电感外，70MHZ以下的场合锰锌铁氧体的阻抗使之成为最佳的选择。

由于锰锌铁氧体一般磁导率μ比较高，晶粒较大，结构也比较紧密，常呈黑色，而镍锌铁氧体一般磁导率μ比较低，晶粒细而小，并且是多孔结构，常呈棕色。此外，锰锌铁氧体具有比镍锌铁氧体更高的磁导率μ和较高的饱和磁感应强度。

屏蔽（屏蔽的好处、屏蔽的方式）

电子设备中电感器的漏磁通与其他线圈发生磁耦合时会导致电感发生变化，形成噪声。

①无屏蔽型

②树脂屏蔽（半屏蔽）型

③全屏蔽型

④金属一体成型

图1.2 电感器屏蔽模型

1.2 电感的主要参数

电感量、额定电流、直流电阻（DCR）、使用温度

1.3 电感相关知识点

保管期限

一般产品规定在交货后12个月内使用，有些会要求6个月内。如果超过了规定期限，应确认可焊性之后再用。

失效模型

(1) 超过规格范围的过电流，导致线圈断线，变成开路模式

(2) 超过规格范围的过电流，无法保持线圈之间的绝缘，导致电感值下降

(3) (2)之后，更大的过电流通过，达到(1)的开路模式

电感值

电感值规定为1、1.5、2.2、3.3…的原因在于这是考虑了无源器件公差的标准数列的基础上所规定的。

2.磁的基本概念

2.1 安培环路定理

现代物理研究表明，运动电荷或载流导体产生磁场。根据实验归纳为安培定则，即右手定则。该磁场的大小用磁场强度H来表示。

图1.3 右手定则

安培发现在电流产生的磁场中，矢量 H沿任意闭合曲线的积分等于此闭合曲线所包围的所有电流的代数和(图1.4),即

称为安培环路定理。

以环形线圈为例(图1.5)来说明安培定律的应用。环内的介质是均匀的，线圈匝数为N，取磁力线方向作为闭合回线方向，沿着以r为半径的圆周闭合路径l，根据式(2-1)的左边可得到

2.2 磁芯的磁化

物质的磁化需要外磁场。相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。

电流产生磁场，但电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的。例如，在相同条件下，铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性，将不同的磁介质用一个系数μ来考虑，μ称为介质磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中，μ越大，介质中磁感应强度B就越大。

用磁导率表征介质对磁场的影响后，磁感应 B与H的比值只与产生磁场的电流有关。即

B=μH                          (2-6)

2.3 磁通、磁链

垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通。用φ表示。在均匀磁场中，横截面A上的磁通φ与磁感应强度B的关系为

φ = BA                         （2-7）

N匝线圈的磁通和，称为磁链ψ

ψ=Nφ                          （2-8）

2.4自感

当线圈中的电流变化时，它所激发的磁场通过线圈自身的磁通量（或磁链）也在变化，使线圈自身产生感应电动势。这种因线圈中电流变化而线圈自身所引起的感应现象叫做自感现象。如果线圈中磁介质的磁导率μ是常数时，磁链与电流I成正比关系，即

ψ = LI                        （2-9）

式中L称为线圈N的自感系数，通常简称为自感或电感。

2.5 电感的计算

由此可见电感器的电感量大小与磁芯的磁导率、绕线匝数的平方、磁芯的横截面大小成正比，与磁路长度成反比。

2.6 电感的命名

①感值

第一种3R3，字母R表示小数点，即为3.3μH。第二种100，个位表示的是平方根，即为10*100μH等于10μH。

②精度

后面带的字母J、K、L、M、N表示公差范围，J：±5%，K：±10%，L：±15%，M：±20%，N：30%。例如：CDRH105RNP-1R5N   :   1.5μH±30%

2.7 磁谱

磁谱的广义定义是指物质的磁性（顺磁性及铁磁性）与磁场频率的关系，其狭义定义则仅仅是指铁磁体在弱交变磁场中其复磁导率实部和虚部随频率变换的关系。

的高低主要取决于畴壁位移的弛豫与共振，以及畴壁转动所导致的自然共振。

2.8 磁畴

用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”使得在无外加磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域称为磁畴。

2.9 磁老化与磁减落

磁老化是指磁导率随时间推移而下降（不可逆），而磁减落在重新磁中性化后可恢复。

2.10旋磁频率

铁氧体材料的磁导率随着频率的升高而降低，这是因为铁氧体材料存在一个所谓的旋磁频率极限，

通常在几兆赫兹范围内，当频率达到时电感线圈的电感值将减小到起始值的二分之一，在设计共模扼流圈时必须选择旋磁频率极限高的磁芯以保证它对高频共模噪声具有高的共模抑制比。

3 电感电流参数

3.1 磁饱和

当绕在磁性材料上的线圈通过外加电流达到某一最大值，也就是说磁场强度达到某一最大值，则磁性材料内部的磁感应强度也达到一个最大值，此时如果继续增加电流或者磁场强度则磁性材料内部磁感应强度不再增加或者说磁通不再变化，这种现象叫磁饱和。如图1.6。

图1.6软磁材料磁化曲线图

3.2 磁饱和的现象及影响

磁饱和---->磁通不再变化---->线圈自感减小---->电感量下降

图1.7饱和电流和温度上升图

①电感量下降幅度大造成电流纹波大，造成电路干扰；

②因电感量下降产生机械或电子噪声；

③因电感量下降引起电源带负载时输出电压或电流不稳定造成其它单元电路系统死机等不稳定异常情形；

④导致电感工作时其表面温度过高，整机效率低，加速电感本身或整机老化，使其寿命缩短；

⑤导致线圈断线，变成开路模式。

3.3 电感饱和电流sat

基于电感值变化的额定电流，以电感值下降比率为指标的额定电流规定。

3.4 温升电流ms

基于电感自我温度上升的额定电流，以元件的发热量为指标的额定电流，超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。

4 共模电感

4.1 共模电感的作用原理

其原理是根据传导方式的不同来区分干扰和信号而非频率的差别。如图1.8。

共模电流通过共模电感时，各线圈因电磁诱导现象产生磁通量，但因产生的磁通量方向相同从而彼此增强，电感性能得以提高，此时作为电感器工作。

当线圈中通过差模电流时，因产生的磁通量方向相反，磁通量相互抵消，此时共模电感不能作为电感器工作，电感对差模电流作用消失。

图1.8 共模电感作用原理 

4.2 共模电感的差模阻抗

一般的共模电感的构造只能使得差模电流通过线圈时最大限度内相互抵消，不能达到所有的磁通量都能抵消。因为泄露掉一些磁通量，这就使得部分磁通量残留从而产生差模阻抗。如图1.9。因此电源上用共模电感也要注意避免磁饱和。

图1.9 共模电感差模阻抗形成原理

4.3共模电感的绕制方式

①两组线圈分开绕制

②两组线圈双线并绕

这两种方式的区别是双线并绕的漏感小，也就是差模阻抗小，使得差模信号通过性好，信号衰减小。但耐电压没有分开绕制的好。

4.4 共模电感作用领域

①滤除共模干扰噪声

②信号线用共模扼流圈的偏移改善功能。

共模扼流圈与变压器结构相同，因此当两条信号线的上升和下降不均衡时，共模扼流圈就在相反一侧产生电动势，以确保电流的均衡。这种做法可以使差动信号的时机一致，改善偏移。如图1.10。

图1.10共模电感改善差分信号偏移原理

4.5 共模电感漏感

漏感的大小因共模扼流圈的形状以及绕线方法不同而异，一般来说是共模电感量的0.1%~1%。

泄露磁通、漏感由小到大的绕线方式为：2根线捻在一起形成麻花线对均匀绕在磁环上；2根线平行地均匀地绕在磁环上；绕线左右分开，各自均匀地绕在磁环上；绕线左右分开，集中在1/4的磁环上。

行业内要求共模电感的两个线圈的共模感量和差模感量尽量一致，一般在±5%以内，尽管少量的差模感量非常有用，但是差模电流流过差模电感会使得磁芯体内的磁通发生零点偏离，如果偏离太大磁芯便会发生磁饱和现象。

5 磁性材料的居里温度

也称磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。

对于所有的磁性材料来说并不是在任何温度下都具有磁性，一般地磁性材料具有一个临界温度，在这个温度以上由于高温下原子的剧烈运动，原子磁矩的排列是混乱无序的；在此温度下原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。该温度称为居里温度。铁氧体的极限工作温度一般在250℃，居里温度在450℃。

6 铁氧体磁珠

6.1 铁氧体磁珠的阻抗曲线（X、Z、R）

Z：表示阻抗整体，综合的静噪性能；

R: 表示阻抗的电阻成分，表示通过磁损耗吸收噪声的性能；

X: 表示电抗部分，表示通过阻抗成分使噪声反弹的性能。

R成份和X成份相等时的频率数即为R-X交叉点。而从R-X交叉点至阻抗峰值之间的频带，则能最有效地降低噪音。

图1.11铁氧体磁珠的阻抗曲线

6.2 片状铁氧体磁珠使用

①铁氧体磁珠等效为电感加电阻的形式，应注意其直流叠加特性；

②铁氧体磁珠的电感和电路其他部分的电容（如IC的输入电容）会引发谐振，这个现象很容易发生在阻抗曲线很陡峭的铁氧体磁珠上。可采取串联一个阻尼电阻的方式来吸收谐振能量，但由于使用阻尼电阻会引发该部分的电压下降。另外就是铁氧体磁珠的特质是阻抗曲线越陡峭则其内部消耗越小，谐振越容易发生。

7 电感高频模型

基于高频下分布式参数电路考虑，电感存在寄生电容有匝间电容、线圈与磁芯间电容。其高频等效模型如图1.12所示，这里用等效并联电容EPC代表和的效应。等效并联电阻EPR代表绕组的损耗与磁芯的损耗。     

           图1.12电感的高频等效模型

此外，电感的Q值随着频率的上升而增大，而达到一定的频率后由于分布电容、高频电流趋肤效应等原因会快速下降。

8 电感的应用场景

①当电感做扼流圈使用时，应该让信号的最高频率在电感自谐振频率处考虑电感误差，电感自谐振频率应略大于信号最高频率。

②其他应用（滤波器和匹配）电感值在信号带宽内应尽可能地恒定。因此电感的自谐振频率（SRF）取信号最高频率的10倍（线艺建议的经验值）。

③通常来讲，由于寄生电容的影响，电感值越大，自谐振频率（SRF）越低。

9 AEC-Q200认证实验项目

图1.13 电感AEC Q200认证实验项目