【Murata村田】 电感器基础知识详解

大家好，这里是射频学堂，今天我们总结了一份Murata关于电感器的详细介绍，从“何为电感器? ”开始，对各种电感器产品的工作、使用方法进行说明。我们大家一起来学习一下。

什么是电感器？

电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的被动电子元件。通常为导线卷绕的样子，当有电流通过时，会从电流流过方向的右边产生磁场。

电感值的计算公式如下所示。卷数越多，磁场越强。同时，横截面积变大，或改变磁芯都能够使磁场增强。

那么让我们来看看将交流电流过电感会发生什么变化吧。交流电是指随时间推移电流大小和方向会发生周期性变化的电流。当交流电通过电感时，电流产生的磁场将其他的绕线切隔，因而产生反向电压，从而阻碍电流变化。特别是当电流突然增加时，和电流相反方向的，即电流减少方向的电动势会产生，来阻碍电流的增加。反之当电流减少时，则向电流增加的方向产生。

若电流的方向逆转，反向电压也同样会产生。在电流被反向电压阻碍之前，电流的流向会发生逆转，因而电流就无法流过。
另一方面，直流电由于电流不会发生变化，就不会发生反向电压，也没有发生短路的危险。也就是说，电感器是可以让直流电通过，而通不过交流电的元器件。电能以磁能的形式存储，使直流电通过而交流电无法通过。利用电感的这种特性可应用于各种用途。

射频电感器

电感器有多种使用方法，根据其使用方法，市场上也出现了各种电感产品。
村田的贴片电感器按照用途大致划分为三类，分别是高频电路用电感器、电源电感器（功率电感器）、一般电路用电感，我们能够向客户提供符合需求的贴片电感器。
本次，我们向大家介绍其中的高频电路用电感器。

说起高频电路用电感器，顾名思义，就是用于几十MHz到几十GHz的高频带的电感。因为Q值（Quality factor）的要求较高，所以一般是空芯结构，主要用于手机及无线LAN等移动通信设备等高频电路。

村田的高频电路用电感器有绕线、积层、薄膜三种。
下面，我们向大家简单介绍一下其特点以及相关用途。

◆绕线结构的特点

所谓绕线构造，是在氧化铝芯上将铜线绕成螺旋状。
与积层、薄膜方式相比，绕线结构能够用粗线绕制线圈，具备下列特点。

1) 能够实现低直流阻抗
2) Q(Quality factor)非常高
3) 能够对应大电流

利用该特点，可以在Q值要求较高的天线、PA电路中用于耦合及IF回路的共振。

◆积层结构的特点

所谓积层结构，是将陶瓷材料及线圈导体层压成一体的单片结构。与绕线结构相比，能够实现小型化、低成本化。
虽然Q值比绕线结构要低，但L值偏差、额定电流、大小、价格等整体的平衡性较好，用途也较为广泛。
适用于移动通信设备的RF电路的耦合、扼流以及共振等各类用途。

◆薄膜结构的特点

薄膜结构也是采用积层构造，在制作线圈上采用村田独自的微细加工技术，是一种实现了高精度陶瓷材料的贴片电感器。
线圈的制作精度非常高，具有如下特点。

1）即便是0603规格的小型贴片电感，也能够实现高性能的电气特性
2）能够实现稳定电感值及细小电感值的阶跃响应
3）高Q、高SRF

因此，该电感符合移动通信设备的小型、轻量化趋势，适用于需要偏差较小及较高Q值的RF电路的耦合及共振。

如果能够灵活利用上述高频电路用电感器的特点，就能够用于各种高频电路。下一次，我们准备向大家说明电源电感器的构造以及理想的用途等内容。

功率电感器

由于电感器有着各种各样的用途，因此其产品也随用途不同而各种各样。
在上一次的讲座中我们对高频电感器做了解说，这次我们将针对电源电路专用电感器进行解说。
用于电源电路中的电感器的主要用途有"变换电压用"及"扼流用"，并被用于各种电子设备中。

村田公司推出了绕线型电感和叠层型两种构造的电源电路专用的电感器产品。接下来就为大家简单介绍一下这两种产品的不同特征。

◆绕线型电感器的特征

绕线型电感器是将铜线以螺旋状绕于铁氧体材料的磁芯上。此外，村田公司的许多电源电路专用电感器产品在绕于铁氧体磁芯上的铜线外面再添加了一层树脂保护层。而树脂保护层的目的则是为了提高产品强度以及形成一个简易的闭合磁路等。
如果用于大电流或高感应系数时，绕线型电感器具有一定的好优势。产品的主要用途有手机、TV、HDD、数码相机等各种各样。

<村田公司的对象产品>

LQH-P,LQH2MC系列（变换电压用）

LQH31C/32C/43C/55D/66S系列、LQW18C系列（扼流线圈用）

◆叠层型片状电感器的特征

叠层型片状电感器是将陶瓷材料及磁芯导体层层堆积并一体化后的单晶片电感。

比起绕线型电感，单晶片电感除了体积小、厚度薄以外，还能降低生产成本。随着开关频率的不断提升，主要应用于手机产品的电压变换专用单晶片电感器的需求预计将会进一步加大。

<村田公司的对象产品>

LQM-P系列（变换电压用）

LQM-F系列（扼流圈用）

如上所述，电源电路专用电感器按照其特征被应用于各种不同的市场及领域。下一次，我们将为大家介绍有关不同构造的电感器在其用途及特性方面的差异。

电感器的构造

第2,3讲中我们主要对高频电感器及电源电感器进行了介绍。这里，我们将介绍不同电感器构造的特性差异及其用途。
村田电感器构造主要分为绕线型、叠层型、薄膜型。本章将介绍村田各高频电感器构造的各种特性差异及其构造的使用方法。

图示本公司的高频线圈和1005尺寸的各种结构 (绕线型、叠层型) 的Q值的频率特性。如图1所示，绕线型的特点是Q值远高于叠层型。
薄膜型的特点是有小型的0603尺寸、0402尺寸商品，Q值高于同行业其他公司采用的叠层法。(图2)

高频线圈主要用于手机、无线LAN等高频电路中。下面将介绍各构造高频线圈的主要用途。

绕线型LQW系列的特点是Q值较高。由于Q值越高，滤波器带通的衰减特性越好，所以它可使用于RF部的匹配电路上。另外，由于通过它可确保天线的收发信号灵敏度，因此也经常被用于天线的匹配电路上。其次，因其低Rdc特性，也适用于大电流流过的扼流电路中。

薄膜型LQP系列的特点是，它利用感光法形成电极，从而可实现对线圈模型的细微加工，在实现小型化的同时具备较高的Q值特性，且L值的偏差较小，能实现较小L值的分布响应。目前，为顺应小型化趋势，正在批量生产占主流地位的0603尺寸及业内超小型化的0402尺寸的产品。可用于需要小型化，偏差小及小L值分布响应的RF部匹配电路和共振电路中。另外，也可用于注重小型化及低Rdc的扼流电路中。

叠层型构造虽有3种结构且Q值也较低，但由于其L值偏差及规格、价格等整体的平衡性较好，因此被广泛使用于RF的匹配电路、共振电路及扼流电路中。
上述3种构造各具特色，根据其特色其使用方法也各不相同。下讲中，我们将介绍电感器的实际贴装。

电感器的封装技术

虽然都被称作"电感"，但村田的电感产品构造大致分为三类。此外，现在产品阵容越来越丰富，产品规格从大到小种类繁多。近年来，由于设备的小型化需求越来越强，电感产品也在小型化元件方向急速发展，对元件的电路板封装技术要求也越来越高。因此，本期将对电感产品封装的注意事项进行举例说明。

（1）高频用横向绕线型电感器（LQW15）的封装

该产品不同于普通的陶瓷电容器，虽为二端子元件，但为获得较高的Q值特性，设计成只在元件底面形成电极的结构。对（图1）这种元件进行封装时，需提供与其底面电极表面积相符的焊锡量。
封装不良的事例包括，在元件倾斜的状态下进行封装（图2），或焊盘上θ偏离（*1）的状态下进行封装（图3）。这些不良情况发生的原因是对元件底面电极表面积提供的焊锡量过多。
为避免以上不良情况，回流焊接时应根据电极面积适当控制提供给电路板焊盘的焊锡量。本公司在产品目录的封装信息页面中提供了适当的焊盘图案和焊锡印刷图案。

（*1）θ偏差：如图3所示，元件对焊盘出现一定角度偏差的情况 

(2）高频用薄膜型电感器（LQP02,LQP03）的封装

随着设备小型化的发展，为超小化封装面积而采用的元件从1005尺寸到0603尺寸，近年来更是出现了0402尺寸。小型化发展急速前进。（图5）对于这种超小型元件，封装环境的微小变化可能导致封装不良。
例如，元件单侧未与焊锡接触而引发竖起的立碑现象（曼哈顿现象），也称为封装不良情况。（图6）
原因包括以下几点。

①使用贴装机将元件安装到电路板上时出现偏差
②对元件的左右焊盘提供的焊锡量不同
③回流焊接时，元件的左右焊盘存在温度差（大型元件紧邻等情况）
④保护膜印刷偏差或电路板设计时左右焊盘的大小不同
⑤电路板设计时的焊盘尺寸过大

请务必注意避免在上述环境下进行封装。

（3）0402尺寸电感器的编带规格（W4P1塑料编带）　（*2）

目前已量产的1005尺寸以下的电感器大部分采用纸质编带作为包装材料，0402尺寸的高频用薄膜型电感LQP02在最初量产时也采用了纸质编带。
但是，使用纸质编带时，孔的大小会随着运输、保存时的湿度变化而变化。随着元件尺寸越来越小，这种影响也将越来越大，甚至极有可能在窄邻接封装和高可靠性封装面上无法获得原有的封装品质。
为解决以上问题，LQP02系列采用了W4P1塑料编带的包装方式，该塑料编带已被陶瓷电容器采用，且其封装的设备生产线也已相当完备。
图7显示了传统纸质编带与W4P1塑料编带在高温状态下，元件孔尺寸的变化情况。图8中总结了W4P1的优势。今后将积极推进LQP02的W4P1塑料编带方式。

（*2）
・W4P1：编带宽度（W）为4mm，元件孔间距（P）为1mm的塑料编带（本次介绍的塑料编带规格）
・W8P2：编带宽度（W）为8mm、元件孔间距（P）为2mm的纸质编带（图8）（目前使用的纸质编带规格）

本期介绍了电感器的封装技术，这些课题对于以陶瓷电容器为主的所有贴片元件都是共通的。村田为了提供用户能够放心使用的元件，今后将继续提供编带规格优化、对客户的封装技术支持等封装相关的解决方案。

功率电感器的额定电流为什么有两种？

近年来，在世界规模的节能化潮流中，对电子设备的低功耗要求也在不断增加，
电源设计技术变得日益重要。
在实际的电源设计中，电感器的选择尤为关键。在DC-DC转换器中，电感器是仅
次于IC的核心元件。通过选择恰当的电感器，能够获得较高的转换效率。在选择
电感器时所使用的主要参数有电感值、额定电流、交流电阻、直流电阻等，在这些
参数中还包括功率电感器特有的概念。例如，功率电感器的额定电流有两种，它们
之间的差异是什么呢？为了回答这样的疑问，我们在这里对功率电感器的额定电
流进行说明。

■存在两种额定电流的原因

功率电感器的额定电流有"基于自我温度上升的额定电流"和"基于电感值的变化
率的额定电流"两种决定方法，分别具有重要的意义。"基于自我温度上升的额定电
流"是以元件的发热量为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会导致元件
破损及组件故障。
与此同时，"基于电感值的变化率的额定电流"是以电感值的下降程度为指标的额
定电流规定，超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致IC控制不稳定。
此外，根据电感器的磁路构造的不同，磁饱和的倾向（即电感值的下降倾向）有所不
同。图1是表示不同磁路构造所导致的电感值的变化的示意图。对于开磁路类型，
随着直流电流的增加，到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值，但以规定电流值
为境界电感值急剧下降。相反，闭磁路类型随着直流电流的增加，透磁率的数值逐渐减少，因此电感值缓慢下降。

为什么电感器上会有方向性标记？

电感中往往附有可辨别方向性的印记（标记）。
我公司商品--薄膜型LQP_T系列产品/多层型LQG系列产品/一部分绕线型LQH产品中附有上述标记。若电感的构造不完全对称，则封装方向上将产生特性差异。因此，为使产品在使用过程中充分发挥其应有的特性，产品上往往标有标记，以表明其方向性。
图1是封装方向不同将导致电感值发生变化的实例。

＜电感与磁场的影响＞

电感在磁场中储存能量来发挥其功能。但是，电感除受自身产生的电磁能量影响外，也受外部磁通量影响。保证元器件的电感值指的是无外部磁通量状态下的值。因此，在存在外部磁通量的情况下封装电感时，将可能无法发挥其应有的功效。作为一个典型的事例，多个电感会非常近距离地进行封装。
图2是将多个电感紧密排列进行封装时，电感值产生的变化。

电感会产生磁通量。该磁通量向外部辐射（我公司开发出了一系列防止磁通量向外辐射的产品），这部分能量就损失了。若将多个电感紧密封装在一起，各电感向外部辐射的磁通量将会互相干扰，无法达到所期望的产品特性。
外部磁通量能左右电感特性，从而可能进一步影响周边元器件。选择使用的元器件时，请充分考虑上述影响因素并选择最合适的布局。

注释：资料来源于 murata 网站，分享旨在学习。