元器選型攻略之 電感

攻城獅華哥

電子元器件領域電阻、電容、電感被稱為 “三劍客”；其中電感又被稱為“渣男”。

圖片來源：華秋商城

什么是電感？提到電感，離不開電感線圈這個名詞，即用絕緣導線繞制而成的電磁感應元件。


要理解電感，首先了解幾個名詞： “感生”、“變化”、“改變”


讓我們回到高中課本:

（1）當一個導體相對磁場運動時，導體中會感生電流。從而在導體的兩端會產生感生電動勢（可以理解為電壓）。

（2）當導體處在變化的磁場中，導體內部會產生感生電流。像第一種情況一樣，導體內也會產生感生電動勢。

（3）當導體中有電流流動時，導體周圍會產生磁場。

以上是不是似曾相識？對的，希望你沒有把它們還給你的高中物理老師。


根據楞次定律，電路中的感生電動勢是描述電路中抵消或補償其自身的增加或減少的一個物理量。從這個原理出發，會有以下效應：

（1）無論導體和磁場發生相對運動還是磁場變化，都會產生感生電流。感生電流的方向是其激發的磁場與原磁場的變化趨勢相反的方向。
（2）導體中電流改變時，由此電流激發的磁場會發生變化，磁場的變化會感生新的電流以阻礙原電流的變化。
（3）由電流變化感生的電動勢與產生電流變化的電勢的極性相反。

所以，歸納起來就一句話電感是電路阻止電流改變的一種性質。


當電感線圈接到交流電源上時，線圈內部的磁力線將隨電流的交變而時刻在變化著，致使線圈不斷產生電磁感應。這種因線圈本身電流的變化而產生的電動勢，稱為“自感電動勢”。

由此可見，電感量只是一個與線圈的圈數、大小形狀和介質有關的一個參量，它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無關。


電感符號：L
電感單位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（uH），1H=10*10*10mH=10*10*10*10*10*10uH。


電路中為什么要用使用電感？如前面所講，電感是阻止電流的改變，那么為什么電路中還需要它呢？


物盡其用，正是因為電感的獨特特性才使的它在電路中處在不可或缺的地位。如一些濾波、振蕩、延遲、陷波電路中非它不可。在電子線路中，電感線圈對交流有限流作用，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等；

電感的分類：關于電感的分類，網上有很多說法，有按照外型、工作性質、封裝形式、電感量、用途、耦合方式、結構等等眾多分法。實際每個人實際涉及的領域都比較窄，設計中很難用到所有類型的電感，此處就按照某知名平臺的分類給大家介紹，是按照應用場景分類的，便于不同領域的工程師做篩選。

有分為固定電感、信號/去耦電感、環形/磁環電感、功率電感、工字電感、色環電感、共模電感、高頻電感。


今天就以功率電感為例給大家介紹需要注意的關鍵參數，對于電子產品來講，功率電感是應用最多的，只要有供電就離不開功率電感。


如下圖所示功率電感的關鍵參數有：品牌、直流電阻（DCR）、感值、精度、額定電流、自諧振頻率、工作溫度、封裝等參數。

圖片來源：華秋商城

圖片來源：華秋商城

1）品牌：如下是2022年Top10的電感品牌指數，都是在電子行業深耕多年的企業，對于工程師做選型時，如果價格不受限制，那么選擇大品牌肯定沒錯。

圖片來源于網絡，如有侵權請告知刪除

2）直流電阻（DCR）前面已經講過，電感是絕緣導線繞制而成的電磁感應元件，所以是導線就必然有阻抗，直流電阻是衡量電感重要品質之一，在電路中我們是利用電感的感性特性，他的電阻特性就要越小越好，所以電感的直流電阻（DCR）值越小越好，任何類型的電感都遵循這條規則。


如下所示，電感規格書中展示的直流電阻參數。

圖片來源：華秋商城

3）感值電感核心參數，它的值取決于絕緣導線的繞制匝數、大小、介質等。


電感的感值越大，阻礙電流的變化越明顯。實際設計需要選的電感值，與實際應用的電路有關，對應的電路根據實現的功能都有具體的計算公式，或者計算工具。


比如，功率電感應用在DCDC電壓轉換電路中，具體電路中所需要的電感值，所選用的DCDC轉換芯片都已經有推薦值，這個是廠商已經結合芯片工作計算好的，我們直接按照廠商的推薦選用不同廠家，不同封裝的電感即可；


注意一點，對與DCDC電壓轉換電路，功率電感的感值并不是非常確定必須選用某個值，假如根據實際計算得出的結果是4.1uH，那么實際的電感并沒有4.1uH這個感值，此時選用3.3uH和4.7uH對DCDC轉換電路都是可以正常工作的，只是感值偏大偏小的利弊不同罷了，本身DCDC的工作狀態是動態的，而計算是基于特定狀態參數計算而來，并非符合任意狀態的場景。


比如DCDC電路中，電感值稍微大一點，紋波會好一些，但是動態響應會差一些，電感值小了動態響應會好，但是對應紋波會受影響。具體取舍要具體問題具體對待，以我的經驗還是優先保證動態響應好一些，畢竟紋波還有其他途徑解決。


如下是TI的TPS562200降壓芯片的推薦電路，規格書中有不同應用場景對應推薦的電感值，以及計算公式供參考。

圖片來源：華秋商城

圖片來源：華秋商城

4）精度精度是指對應標稱感值的精度，任何電子元器件制作出來都會存在誤差，精度是衡量以標稱值為中心的上下偏差，不同應用場景電感精度范圍不同，以及對精度的要求也不同；


功率電感的精度主要是J，K，M，N幾個檔位，一些高頻電感，特別是應用在射頻電路的貼片高頻電感，主要精度范圍是W，B，C，D幾個檔位，通常感值越小的應用場景，對精度要求越高。

圖片來源：華秋商城

5）額定電流電感是電路阻止電流改變的一種性質，所以電感自身能都承受的電流就叫額定電流。


如下圖所示，功率電感中有兩個額定電流，Saturation Current 飽和電流和Heat Rating Current溫升電流，在實際選型中我們是以那個為選型依據呢？

圖片來源：華秋商城

最可靠的方法是工作電流以飽和電流與溫升電流中的最小者為選型依據并且通常按照80%的降額選型。

飽和電流是指電感加電流后，電流逐漸增大時，磁芯會進入飽和狀態，電感值會逐漸下降，當電感值下降到30%時的電流值稱為飽和電流；


溫升電流是指電感加電流后，電感物料自我溫升溫度不超過40℃時的電流值；


對于溫升電流，實際設計中也要注意，如果電感所處的PCB周圍有高發熱器件，會使電感的溫度上升的更加快更加高，那么選擇電感時溫升電流要考慮更大的余量，來避免電感溫度過高；



6）自諧振頻率電感在終端電極或導體匝數之間有比較低的分布電容。它自身的電感和分布電容在一定頻率上會產生諧振，這個頻率叫做自諧振頻率。


當頻率超過自諧振頻率的時候，電感也不再呈感性。所以電感選型時，我們要注意自己應用電路中的工作頻率，一定要選擇自諧振頻率遠遠高于我們實際電路的頻率，相差越大越好。


7）工作溫度工作溫度是指電感本體正常工作所能承受的溫度范圍，這個不同于的做成的電子產品工作溫度范圍，通常我們是根據定義的產品應用場景以及內部設計結構來決定我們選擇什么溫度范圍的電感。溫度范圍越寬適用的場景就越多，同時價格也就越貴。


通常分為軍工級、車規級、工業級、消費級；

圖片來源：華秋商城

做消費類的電子產品也不完全不會用到工業級或車規級的物料，這個取決與產品的設計，如果產品功耗高，體積小，發熱嚴重，那么內部電感位置的溫升過大，高于電感本身的額定工作溫度，那么就需要考慮使用更高溫度等級的電感了。


8）封裝不同類型的電感，封裝不同，取決于材質，磁芯、線圈等。高頻電感通常是貼片封裝，如0201/0402/0603等，和貼片電阻電容的封裝相同；


如下同一系列不同感值的功率電感封裝尺寸：

在選型時要根據自身電路所需要的感值、額定電流來確定所選的功率電感尺寸，往往都新的設計是先確定感值和額定電流，封裝不會作為決定因素，除非是已經設計好的產品在做選型替代，那么封裝必須相同，反而其他參數在一定范圍內可以適當放寬，那也是因為當初設計時留有比較充分的余量才可以。

圖片來源：華秋商城

今天關于電感和功率電感選型的整理分享就這些，希望能幫到大家，如有個人觀點不對的也歡迎指出，大家一起交流學習。


別忘了，點贊收藏分享，一鍵三連哈~