1电感

1.1 基本概念

电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。这种电感称为自感，是闭合回路自己本身的属性。假设一个闭合回路的电流改变，由于感应作用而产生电动势于另外一个闭合回路，这种电感称为互感。

1.1.1 自感

当线圈中有电流通过时候，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势，这就是自感。

1.1.2 互感

两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

利用线圈的自感的特性可以制成电感器，利用线圈的互感特性可以制成变压器。以下主要对电感器(简称电感)进行介绍。

1.2 背景介绍

电感器用绝缘导线绕制的各种线圈称为电感。用导线绕成一匝或多匝以产生一定自感量的电子元件，常称电感线圈或简称线圈。为了增加电感量、提高Q值并缩小体积，常在线圈中插入磁芯。在电子设备中，经常可以看到有许多磁环与连接电缆构成一个电感器（电缆中的导线在磁环上绕几圈作为电感线圈，如一些USB线，电源线），它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的屏蔽作用，故被称为吸收磁环，由于通常使用铁氧体材料制成，所以又称铁氧体磁环（简称磁环）。最原始的电感器是1831年英国M.法拉第用以发现电磁感应现象的铁芯线圈。1832年美国的J.亨利发表关于自感应现象的论文。人们把电感量的单位称为亨利，简称亨。19世纪中期，电感器在电报、电话等装置中得到实际应用。1887年德国的H.R.赫兹，1890年美国N.特斯拉在实验中所用的电感器都是非常著名的，分别称为赫兹线圈和特斯拉线圈。

电感可由电导材料盘绕磁芯制成，典型的如铜线，也可把磁芯去掉或者用铁磁性材料代替。比空气的磁导率高的芯材料可以把磁场更紧密的约束在电感元件周围，因而增大了电感。电感有很多种，大多以外层瓷釉线圈环绕铁素体线轴制成，而有些防护电感把线圈完全置于铁素体内（如下图）。

一些电感元件的芯可以调节。由此可以改变电感大小。小电感能直接蚀刻在PCB板上，用一种铺设螺旋轨迹的方法。小值电感也可用以制造晶体管同样的工艺制造在集成电路中。在这些应用中，铝互连线被经常用做传导材料。

1.3 常见种类

1.3.1 小型固定电感器

小型固定电感器通常是用漆包线在磁芯上直接绕制而成，主要用在滤波、振荡、陷波、延迟等电路中，它有密封式和非密封式两种封装形式，两种形式又都有立式和卧式两种外形结构。

a) 立式密封固定电感器。立式密封固定电感器采用同向型引脚，电感量范围为0.1~2200μH（直标在外壳上），额定工作电流为0.05~10A(一些特殊型号可能超过这个值)，误差范围为±5%~±10%；

b) 卧式密封固定电感器。卧式密封固定电感器采用轴向型引脚。目前该型电感在功率电感中使用较多，国产厂家有风华邦科，风华高科，振华富，顺络迅达，麦捷科技，乾坤等。进口厂家有TDK，村田，太阳诱电等，如图所示。

1.3.2 可调电感器

常用的可调电感器有半导体收音机用振荡线圈、电视机用行振荡线圈、行线性线圈、中频陷波线圈、音响用频率补偿线圈、阻波线圈等。随着数字电路的发展，目前可调电感应用的相对较少，可作了解。

a) 半导体收音机用振荡线圈：此振荡线圈在半导体收音机中与可变电容器等组成本机振荡电路，用来产生一个输入调谐电路接收的电台信号高出465kHz的本振信号。其外部为金属屏蔽罩，内部由尼龙衬架、工字形磁心、磁帽及引脚座等构成，在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组。磁帽装在屏蔽罩内的尼龙架上，可以上下旋转动，通过改变它与线圈的距离来改变线圈的电感量。电视机中频陷波线圈的内部结构与振荡线圈相似，只是磁帽可调磁心；

b) 电视机用行振荡线圈：行振荡线圈用在早期的黑白电视机中，它与外围的阻容元件及行振荡晶体管等组成自激振荡电路（三点式振荡器或间歇振荡器、多谐振荡器），用来产生频率为15625Hz的的矩形脉冲电压信号。该线圈的磁心中心有方孔，行同步调节旋钮直接插入方孔内，旋动行同步调节旋钮，即可改变磁心与线圈之间的相对距离，从而改变线圈的电感量，使行振荡频率保持为15625Hz，与自动频率控制电路（AFC）送入的行同步脉冲产生同步振荡；

c) 行线性线圈：行线性线圈是一种非线性磁饱和电感线圈（其电感量随着电流的增大而减小），它一般串联在行偏转线圈回路中，利用其磁饱和特性来补偿图像的线性畸变。

行线性线圈是用漆包线在“工”字型铁氧体高频磁心或铁氧体磁棒上绕制而成，线圈的旁边装有可调节的永久磁铁。通过改变永久磁铁与线圈的相对位置来改变线圈电感量的大小，从而达到线性补偿的目的。

1.3.3 阻流电感器

阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈，它分为高频阻流线圈和低频阻流线圈。

a) 高频阻流电感：它用来阻止高频交流电流通过。

高频阻流电感工作在高频电路中，多用采空心或铁氧体高频磁心，骨架用陶瓷材料或塑料制成，线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制。也较多采用陶瓷及铁氧体材料制成，如图。

b) 低频阻流线圈：低频阻流线圈也称低频扼流圈，它应用于电流电路、音频电路或场输出等电路，其作用是阻止低频交流电流通过。

通常将用在音频电路中的低频阻流线圈称为音频阻流圈，将用在场输出电路中的低频阻流线圈称为场阻流圈，将用在电流滤波电路中的低频阻流线圈称为滤波阻流圈。

低频阻流圈一般采用“E”形硅钢片铁心（俗称矽钢片铁心）、坡莫合金铁心或铁淦氧磁心。为防止通过较大直流电流引起磁饱和，安装时在铁心中要留有适当空隙。

1.4 特性

电感器的特性与电容器的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。直流信号通过线圈时的电阻就是导线本身的电阻，压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感器的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感器在电路中经常和电容器一起工作，构成LC滤波器、LC振荡器等。另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、变压器、继电器等。

通直流：指电感器对直流呈通路状态，如果不计电感线圈的电阻，那么直流电可以“畅通无阻”地通过电感器，对直流而言，线圈本身电阻很对直流的阻碍作用很小，所以在电路分析中往往忽略不计。

阻交流：当交流电通过电感线圈时电感器对交流电存在着阻碍作用，阻碍交流电的是电感线圈的感抗。

1.5 功能与用途

电感器在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。电感之所以具备以上特性，是因为当电感通过的电流变化时，电感中产生的直流电压势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑。

a) 滤波与抗干扰

电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。电容具有“阻直流，通交流”的特性，而电感则有“通直流，阻交流”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路，那么，交流干扰信号将被电感变成热能消耗掉;变得比较纯净的直流电流通过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以抑制较高频率的干扰信号。

b) 调谐与选频

利用电感阻交流的作用，还可以将阻流电感用在高频电路中进行选频。由于电感线圈中的铜芯总是阻碍线圈中的电流变化。电感对在电路中使用的交流电流有阻碍作用，阻碍作用的大小称感抗xL，单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为xL=2πfL,电感主要可分为高频阻流线圈及低频阻流线圈。

阻流电感与电容并联可组成LC调谐电路。阻流电感在谐振时电路的感抗与容抗等值又反向，即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等，则回路的感抗与容抗也相等，阻流电感的使用一般多不会很高同时体积也很小。随着IC加工技术的发展，一些调谐电路直接做到了IC内部。

1.6 主要参数

电感的主要参数有电感量、允许偏差、品质因数、分布电容、额定电流、封装尺寸等。

1.6.1 电感量

电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。

电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。

电感量的基本单位是亨利（简称亨），用字母“H”表示。常用的单位还有毫亨（mH）和微亨（μH），它们之间的关系是：

1H=1000mH

1mH=1000μH

1.6.2 允许偏差

允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。

一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高，允许偏差为±0.2%~±0.5%；而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高；允许偏差为±10%~15%。

电感有一般电感和精密电感之分。

一般电感：误差值为20%，用M表示；误差值为10%，用K表示。

精密电感：误差值为5%，用J表示；误差值为1%，用F表示。

如：100M，即为10μH，误差20%。

1.6.3 品质因数

品质因数也称Q值或优值，是衡量电感器质量的主要参数。

它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。

电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。

1.6.4 分布电容

分布电容是指线圈的匝与匝之间，线圈与磁心之间，线圈与地之间，线圈与金属之间都存在的电容。电感器的分布电容越小，其稳定性越好。分布电容能使等效耗能电阻变大，品质因数变大。减少分布电容常用丝包线或多股漆包线，有时也用蜂窝式绕线法等。

1.6.5 额定电流(饱和电流)（Isat）、温升电流（Irms）

额定电流又叫饱和电流，是指电感器在允许的工作环境下能承受的最大电流值，通常是指电感量下降20%时通过的电流值，若工作电流超过额定电流，则电感器就会因发热而使性能参数发生改变，甚至还会因过流而烧毁。温升电流是指电感器工作时温度升高40度时所通过的电流值。两者关系成比例增加，比例系数跟电感量，额定电流大小有关，不固定。通常额定电流大于等于温升电流，电感量及额定电流都比较小时，两者比较接近，当电感量或额定电流值增加时，温升电流会明显小于额定电流。在实际应用中，一般参考温升电流作为选型依据。

1.6.6 封装尺寸

封装尺寸是指电感的结构外形。从安装类型分为直插型及贴片型。直插型通常用于滤波，稳定电流。同时因尺寸较大，额定电流，电感量一般比较大。贴片型基本包括所有功能类型的电感。其中在高频电路中用于调谐及选频的阻流电感通常额定电流比较小，封装也比较标准。常见的有0402、0603、0805等封装。用于滤波，稳流的功率电感封装类型比较多，通常没有固定的标准，有圆形、有方型、有方圆结合的，但通常物理尺寸不会超过15mm×15mm×8mm。

1.7 应用实例

以我们常用的TPS54810PWP电源芯片的应用为例。该芯片为降压型DC-DC开关电源芯片。最大能提供8A电流，开关频率为固定频率350KHz或550KHz可选，或280KHz~700KHz可调，根据电源仿真软件计算(详细仿真软件使用见相关文档)，电感量选择3.3uH~10uH再配合外部匹配均可实现较好的电源参数。因此我们所选的电感的电感量应在3.3uH~10uH之间，温升电流应该不小于8A。通过查找，风华邦科的S-BKML1005-6R8M（503010005）电感比较合适，该电感电感量6.8uH，Irms为8A，Isat为14A，最大直流电阻为30欧姆。再参考封装尺寸为：10.3mm×11.2mm×5mm。该尺寸在PCB上满足空间要求。因此该电感满足设计要求。原理图如下：