一、電感的基本原理

電子學三大基本無源器件分別為電感、電阻、電容；電感是一種能將電能通過磁通量的形式儲存起來的被動電子元件。通常為導線卷繞的樣子，如下圖圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理。

根據右手螺旋定則，當上圖中有恒定電流流過線圈時，會形成一個圖示方向的靜磁場。但電感中通過的是交變電流時，產生的磁場就會是一個交變磁場，在線圈通電瞬間產生的這個變化的磁場中馬上產生了一個新的電場，線圈上瞬時就有了新的感應電動勢，從而產生新的感應電流，這個新的電流總是與原來的電流逆向對抗著，如此周而復始，它們遵從如下原則：

● 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。

以上就是楞次定律，最終效果就是電感會阻礙流過的電流產生變化，就是電感對交變電流呈高阻抗。也就平常大家說的電感有“通直流、阻交流”的特性。

電感的阻抗特性我們可以用兩個現象來描述：同樣的電感，電流變化率越高，產生的感應電流越大，那么電感呈現的阻抗就越高；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，那么電感呈現的阻抗就越高。

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

可以看出電感值的大小與線圈長度、橫截面積、內部磁芯的材料、匝數等有關，與外加電流大小是無關的。

上述模型是理想模型，實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：繞制線圈的導線不是理想導體，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：電感內部的導體之間存在著分布電容。

因此，需要用一個較為復雜的模型來表示實際電感，常用的等效模型如下：

等效模型有不同形式，各有各的畫法，但要能體現它的損耗和分布電容特性。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)

由于Cp與L一起構成了一個并聯諧振電路，這個諧振頻率便稱電感的自諧振頻率。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；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，就呈現容性。

品質因素(Quality Factor)

是電感儲存功率與損耗功率的比，也稱為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)

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)

圓柱形繞法最常用，例如：

平面形繞法(Flat Wound)

平面形繞法就像一盤平時用的蚊香！優點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，如鐵氧體，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；如果同樣的感值，采用磁芯磁導率越大，那繞線就可以少繞匝數，繞線少就能降低直流電阻；同樣的尺寸不變的情況，繞線少可以加粗，提高電流承載能力。

另外，電源設計中，有時你會發現有嘯叫的問題，其實就是磁場的變化引起了線圈的振動，振動的頻率剛好在音頻范圍內，人耳就可以聽見，如采用合金一體成型電感，比較牢固，可以降低振動。

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--印刷導電漿料--最后疊層--燒結成一體化結構(Monolithic)。

多層片狀電感相比繞線電感優點是：尺寸小、一體化結構、標準封裝、適合自動化高密度貼裝、可靠性高、耐熱性好。

2.3 薄膜電感(Thin Film Type)

薄膜電感制程類似于IC，先在基底上鍍一層導體膜，然后采用光刻工藝制作線圈，最后加介質層、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系廠商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。國內目前正在追趕但還有點差距。

三家都有相應的選型軟件，有電感、電容等所有系列的產品及相關參數曲線。

● SEAT 2013 - TDK

● Simsurfing - Murata

● Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

在電路設計中，電感主要有三大類應用：

● 功率電感：主要用于電壓轉換，常用的DCDC電路都要使用功率電感；

●去耦電感：主要用于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：主要用于射頻電路，實現偏置、匹配、濾波等電路。

3.1 功率電感

功率電感通常用于DC-DC電路中，通過積累并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；

多層片狀功率電感多用在手機類等空間限制較大的產品中，通常電感值和電流都較低，優點是成本較低、體積超小。

功率電感要根據所選的DC-DC芯片來選型。通常，DC-DC芯片的規格書上都有推薦的電感值，以及相關參數的計算，這里不再贅述。

從電感本身的角度來說明如何選型。

電感值

通常應使用DC-DC芯片規格書推薦的電感值；L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系統損耗，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，由于損耗的存在，電感發熱而產生溫升，電流越大，溫升越大；在額定的溫度范圍內，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，增加磁芯的磁導率，可以提高電感值。但鐵磁性材料存在磁飽和現象，即當磁場強度超過一定值時，磁感應強度不在增加，即磁導率下降了，也就是電感下降了。在額定電感值范圍內，允許的最大電流即為飽和電流。

磁滯回線

通常對DC-DC電路設計，要計算峰值電流（PEAK）和均方根電流（RMS）（查規格書中給出計算公式）。選擇電感時，設計RMS電流低于電感溫升電流。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；為了保證在設計范圍內電感值穩定，設計峰值電流不能超過電感的飽和電流。通常建議工作值應降額到不高于額定值的80%，當然降額幅度過大會大幅提高成本，提高可靠性的同時需要綜合考慮成本。

直流電阻

電感的直流電阻會產生熱損耗，導致溫升，降低DC-DC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結構限制。

大電流的應用，電感的漏磁就會相當可觀，會對周圍電路，例如對CPU等造成無法啟動的現象。因此，大電流應用，應選擇屏蔽性能好的電感并且Layout時注意避開關鍵信號。

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路上的干擾，屬于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。

去耦電感，通常結構比較簡單，大都是銅絲直接繞在鐵氧體環上。個人覺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電感，與電容一起構成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：

? 符合工作要求的直流電阻、額定電壓、額定電流；

? 滿足產品結構尺寸要求；

? 通過測試確定噪聲的頻段，再查閱電感的阻抗曲線來選擇電感；

? 設計前要計算或仿真LC濾波器。

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

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

? 去耦電感是線圈繞在磁芯上，主要是線圈電感起作用濾除無用信號；

? 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鐵氧體環上繞制兩個匝數相同、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，相當于對差模信號存在較低的感抗。

● 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，相當于對共模信號存在較高的感抗；

換一個方式理解：假設V+上流過一個頻率的共模干擾，形成的交變磁場，同時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或者差分系統，如HDMI信號、CAN總線、USB信號、220V市電等等。在濾除共模干擾的同時，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：

● 低直流阻抗，不能對電壓或有用信號產生較大影響；

● 考慮額定電壓和額定電流，滿足電源工作要求；

● 通過測試確定共模干擾的頻段，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。例如用于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。

如果共模干擾頻率在10MHz左右，濾波效果很好，但如果是100kHz，可能就沒什么效果。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

高頻電感主要應用于手機、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，減小傳輸線與器件之間的阻抗失配引起的信號反射，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。

● 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；

高頻電感的結構特點：

多層型

多層型通過燒結，形成一個整體結構，或叫獨石型(Monolithic)

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

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

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

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個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。

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。

Murata的LQP系列，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、同容差的電感對比。

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

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于自諧振頻率。

● 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；

● 對于一些寬帶設備，需要電感值在帶寬內穩定，那么應選擇薄膜電感；

● 對于高精度的VCO電路中，作為LC諧振源，只有薄膜電感能提高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：

可以看出，標記點朝側面，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。