- 發(fā)布時間：2022/1/14 來源：深圳市銓祺科技有限公司
1.電感知識概述
1.1 電感的阿構(gòu)成
圖1.1 電感器（繞線）實(shí)物模型
線圈（DCR，銅損）
①單股漆包線
②扁平線:大電流應(yīng)用
③多股細(xì)漆包線:降低表面電阻造成的損耗（無線充電系統(tǒng)中會使用高頻交流電流，隨頻率的增加交流電流發(fā)生趨膚效應(yīng)，使得損耗增加）
常用磁芯材料
①合金磁材料
②磁粉芯
③鐵氧體
兩大類：錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。
錳鋅鐵氧體電阻率較低，通常工作在低頻場合；鎳鋅鐵氧體則相反。除共模電感外，70MHZ以下的場合錳鋅鐵氧體的阻抗使之成為最佳的選擇。
由于錳鋅鐵氧體一般磁導(dǎo)率μ比較高，晶粒較大，結(jié)構(gòu)也比較緊密，常呈黑色，而鎳鋅鐵氧體一般磁導(dǎo)率μ比較低，晶粒細(xì)而小，并且是多孔結(jié)構(gòu)，常呈棕色。此外，錳鋅鐵氧體具有比鎳鋅鐵氧體更高的磁導(dǎo)率μ和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
屏蔽（屏蔽的好處、屏蔽的方式）
電子設(shè)備中電感器的漏磁通與其他線圈發(fā)生磁耦合時會導(dǎo)致電感發(fā)生變化，形成噪聲。
①無屏蔽型
②樹脂屏蔽（半屏蔽）型
③全屏蔽型
④金屬一體成型
圖1.2 電感器屏蔽模型
1.2 電感的主要參數(shù)
電感量、額定電流、直流電阻（DCR）、使用溫度
1.3 電感相關(guān)知識點(diǎn)
保管期限
一般產(chǎn)品規(guī)定在交貨后12個月內(nèi)使用，有些會要求6個月內(nèi)。如果超過了規(guī)定期限，應(yīng)確認(rèn)可焊性之后再用。
失效模型
(1) 超過規(guī)格范圍的過電流，導(dǎo)致線圈斷線，變成開路模式
(2) 超過規(guī)格范圍的過電流，無法保持線圈之間的絕緣，導(dǎo)致電感值下降
(3) (2)之后，更大的過電流通過，達(dá)到(1)的開路模式
電感值
電感值規(guī)定為1、1.5、2.2、3.3…的原因在于這是考慮了無源器件公差的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的基礎(chǔ)上所規(guī)定的。
2.磁的基本概念
2.1 安培環(huán)路定理
現(xiàn)代物理研究表明，運(yùn)動電荷或載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場。根據(jù)實(shí)驗(yàn)歸納為安培定則，即右手定則。該磁場的大小用磁場強(qiáng)度H來表示。
圖1.3 右手定則
安培發(fā)現(xiàn)在電流產(chǎn)生的磁場中，矢量 H沿任意閉合曲線的積分等于此閉合曲線所包圍的所有電流的代數(shù)和(圖1.4),即
稱為安培環(huán)路定理。
以環(huán)形線圈為例(圖1.5)來說明安培定律的應(yīng)用。環(huán)內(nèi)的介質(zhì)是均勻的，線圈匝數(shù)為N，取磁力線方向作為閉合回線方向，沿著以r為半徑的圓周閉合路徑l，根據(jù)式(2-1)的左邊可得到
2.2 磁芯的磁化
物質(zhì)的磁化需要外磁場。相對外磁場而言，被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。將鐵磁物質(zhì)放到磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大。磁場使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。
電流產(chǎn)生磁場，但電流在不同的介質(zhì)中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是不同的。例如，在相同條件下，鐵磁介質(zhì)中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度比空氣介質(zhì)中大得多。為了表征這種特性，將不同的磁介質(zhì)用一個系數(shù)μ來考慮，μ稱為介質(zhì)磁導(dǎo)率，表征物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。在介質(zhì)中，μ越大，介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B就越大。
用磁導(dǎo)率表征介質(zhì)對磁場的影響后，磁感應(yīng) B與H的比值只與產(chǎn)生磁場的電流有關(guān)。即
B=μH (2-6)
2.3 磁通、磁鏈
垂直通過一個截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡稱磁通。用φ表示。在均勻磁場中，橫截面A上的磁通φ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為
φ = BA （2-7）
N匝線圈的磁通和，稱為磁鏈ψ
ψ=Nφ （2-8）
2.4自感
當(dāng)線圈中的電流變化時，它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量（或磁鏈）也在變化，使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種因線圈中電流變化而線圈自身所引起的感應(yīng)現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象。如果線圈中磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ是常數(shù)時，磁鏈與電流I成正比關(guān)系，即
ψ = LI （2-9）
式中L稱為線圈N的自感系數(shù)，通常簡稱為自感或電感。
2.5 電感的計算
由此可見電感器的電感量大小與磁芯的磁導(dǎo)率、繞線匝數(shù)的平方、磁芯的橫截面大小成正比，與磁路長度成反比。
2.6 電感的命名
①感值
第一種3R3，字母R表示小數(shù)點(diǎn)，即為3.3μH。第二種100，個位表示的是平方根，即為10*100μH等于10μH。
②精度
后面帶的字母J、K、L、M、N表示公差范圍，J：±5%，K：±10%，L：±15%，M：±20%，N：30%。例如：CDRH105RNP-1R5N : 1.5μH±30%
2.7 磁譜
磁譜的廣義定義是指物質(zhì)的磁性（順磁性及鐵磁性）與磁場頻率的關(guān)系，其狹義定義則僅僅是指鐵磁體在弱交變磁場中其復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部隨頻率變換的關(guān)系。
的高低主要取決于疇壁位移的弛豫與共振，以及疇壁轉(zhuǎn)動所導(dǎo)致的自然共振。
2.8 磁疇
用量子理論從微觀上說明鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)理。鐵磁質(zhì)相鄰原子的電子之間存在很強(qiáng)的“交換耦合作用”使得在無外加磁場作用時，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內(nèi)自發(fā)平行排列，形成自發(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域稱為磁疇。
2.9 磁老化與磁減落
磁老化是指磁導(dǎo)率隨時間推移而下降（不可逆），而磁減落在重新磁中性化后可恢復(fù)。
2.10旋磁頻率
鐵氧體材料的磁導(dǎo)率隨著頻率的升高而降低，這是因?yàn)殍F氧體材料存在一個所謂的旋磁頻率極限，
通常在幾兆赫茲范圍內(nèi)，當(dāng)頻率達(dá)到時電感線圈的電感值將減小到起始值的二分之一，在設(shè)計共模扼流圈時必須選擇旋磁頻率極限高的磁芯以保證它對高頻共模噪聲具有高的共模抑制比。
3 電感電流參數(shù)
3.1 磁飽和
當(dāng)繞在磁性材料上的線圈通過外加電流達(dá)到某一最大值，也就是說磁場強(qiáng)度達(dá)到某一最大值，則磁性材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度也達(dá)到一個最大值，此時如果繼續(xù)增加電流或者磁場強(qiáng)度則磁性材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度不再增加或者說磁通不再變化，這種現(xiàn)象叫磁飽和。如圖1.6。
圖1.6軟磁材料磁化曲線圖
3.2 磁飽和的現(xiàn)象及影響
磁飽和---->磁通不再變化---->線圈自感減小---->電感量下降
圖1.7飽和電流和溫度上升圖
①電感量下降幅度大造成電流紋波大，造成電路干擾；
②因電感量下降產(chǎn)生機(jī)械或電子噪聲；
③因電感量下降引起電源帶負(fù)載時輸出電壓或電流不穩(wěn)定造成其它單元電路系統(tǒng)死機(jī)等不穩(wěn)定異常情形；
④導(dǎo)致電感工作時其表面溫度過高，整機(jī)效率低，加速電感本身或整機(jī)老化，使其壽命縮短；
⑤導(dǎo)致線圈斷線，變成開路模式。
3.3 電感飽和電流sat
基于電感值變化的額定電流，以電感值下降比率為指標(biāo)的額定電流規(guī)定。
3.4 溫升電流ms
基于電感自我溫度上升的額定電流，以元件的發(fā)熱量為指標(biāo)的額定電流，超出該范圍使用時可能會導(dǎo)致元件破損及組件故障。
4 共模電感
4.1 共模電感的作用原理
其原理是根據(jù)傳導(dǎo)方式的不同來區(qū)分干擾和信號而非頻率的差別。如圖1.8。
共模電流通過共模電感時，各線圈因電磁誘導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生磁通量，但因產(chǎn)生的磁通量方向相同從而彼此增強(qiáng)，電感性能得以提高，此時作為電感器工作。
當(dāng)線圈中通過差模電流時，因產(chǎn)生的磁通量方向相反，磁通量相互抵消，此時共模電感不能作為電感器工作，電感對差模電流作用消失。
圖1.8 共模電感作用原理
4.2 共模電感的差模阻抗
一般的共模電感的構(gòu)造只能使得差模電流通過線圈時最大限度內(nèi)相互抵消，不能達(dá)到所有的磁通量都能抵消。因?yàn)樾孤兜粢恍┐磐?，這就使得部分磁通量殘留從而產(chǎn)生差模阻抗。如圖1.9。因此電源上用共模電感也要注意避免磁飽和。
圖1.9 共模電感差模阻抗形成原理
4.3共模電感的繞制方式
①兩組線圈分開繞制
②兩組線圈雙線并繞
這兩種方式的區(qū)別是雙線并繞的漏感小，也就是差模阻抗小，使得差模信號通過性好，信號衰減小。但耐電壓沒有分開繞制的好。
4.4 共模電感作用領(lǐng)域
①濾除共模干擾噪聲
②信號線用共模扼流圈的偏移改善功能。
共模扼流圈與變壓器結(jié)構(gòu)相同，因此當(dāng)兩條信號線的上升和下降不均衡時，共模扼流圈就在相反一側(cè)產(chǎn)生電動勢，以確保電流的均衡。這種做法可以使差動信號的時機(jī)一致，改善偏移。如圖1.10。
圖1.10共模電感改善差分信號偏移原理
4.5 共模電感漏感
漏感的大小因共模扼流圈的形狀以及繞線方法不同而異，一般來說是共模電感量的0.1%~1%。
泄露磁通、漏感由小到大的繞線方式為：2根線捻在一起形成麻花線對均勻繞在磁環(huán)上；2根線平行地均勻地繞在磁環(huán)上；繞線左右分開，各自均勻地繞在磁環(huán)上；繞線左右分開，集中在1/4的磁環(huán)上。
行業(yè)內(nèi)要求共模電感的兩個線圈的共模感量和差模感量盡量一致，一般在±5%以內(nèi)，盡管少量的差模感量非常有用，但是差模電流流過差模電感會使得磁芯體內(nèi)的磁通發(fā)生零點(diǎn)偏離，如果偏離太大磁芯便會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象。
5 磁性材料的居里溫度
也稱磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。
對于所有的磁性材料來說并不是在任何溫度下都具有磁性，一般地磁性材料具有一個臨界溫度，在這個溫度以上由于高溫下原子的劇烈運(yùn)動，原子磁矩的排列是混亂無序的；在此溫度下原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。該溫度稱為居里溫度。鐵氧體的極限工作溫度一般在250℃，居里溫度在450℃。
6 鐵氧體磁珠
6.1 鐵氧體磁珠的阻抗曲線（X、Z、R）
Z：表示阻抗整體，綜合的靜噪性能；
R: 表示阻抗的電阻成分，表示通過磁損耗吸收噪聲的性能；
X: 表示電抗部分，表示通過阻抗成分使噪聲反彈的性能。
R成份和X成份相等時的頻率數(shù)即為R-X交叉點(diǎn)。而從R-X交叉點(diǎn)至阻抗峰值之間的頻帶，則能最有效地降低噪音。
圖1.11鐵氧體磁珠的阻抗曲線
6.2 片狀鐵氧體磁珠使用
①鐵氧體磁珠等效為電感加電阻的形式，應(yīng)注意其直流疊加特性；
②鐵氧體磁珠的電感和電路其他部分的電容（如IC的輸入電容）會引發(fā)諧振，這個現(xiàn)象很容易發(fā)生在阻抗曲線很陡峭的鐵氧體磁珠上。可采取串聯(lián)一個阻尼電阻的方式來吸收諧振能量，但由于使用阻尼電阻會引發(fā)該部分的電壓下降。另外就是鐵氧體磁珠的特質(zhì)是阻抗曲線越陡峭則其內(nèi)部消耗越小，諧振越容易發(fā)生。
7 電感高頻模型
基于高頻下分布式參數(shù)電路考慮，電感存在寄生電容有匝間電容、線圈與磁芯間電容。其高頻等效模型如圖1.12所示，這里用等效并聯(lián)電容EPC代表和的效應(yīng)。等效并聯(lián)電阻EPR代表繞組的損耗與磁芯的損耗。
圖1.12電感的高頻等效模型
此外，電感的Q值隨著頻率的上升而增大，而達(dá)到一定的頻率后由于分布電容、高頻電流趨膚效應(yīng)等原因會快速下降。
8 電感的應(yīng)用場景
①當(dāng)電感做扼流圈使用時，應(yīng)該讓信號的最高頻率在電感自諧振頻率處考慮電感誤差，電感自諧振頻率應(yīng)略大于信號最高頻率。
②其他應(yīng)用（濾波器和匹配）電感值在信號帶寬內(nèi)應(yīng)盡可能地恒定。因此電感的自諧振頻率（SRF）取信號最高頻率的10倍（線藝建議的經(jīng)驗(yàn)值）。
③通常來講，由于寄生電容的影響，電感值越大，自諧振頻率（SRF）越低。
9 AEC-Q200認(rèn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
圖1.13 電感AEC Q200認(rèn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
