《模電想說愛你不容易》之無源器件篇：電感，“隔交通直”的藝術(shù)

硬小妹：“李工，電感表面絲印330代表電感值為330uH的嗎？”

油條李：“如果是這樣的話，電感表面絲印331是不是就代表電感值為331uH的了??？！”

硬小妹：“哦哦，我明白了，330代表33uH，而331代表330uH!”

油條李：“孺子可教也！”

電容具有“隔直通交”的特點(diǎn)，而電感則具有“隔交通直”的特點(diǎn)，它對(duì)交流信號(hào)有阻礙作用，對(duì)直流信號(hào)無阻礙作用。在電子電路中，電感是常用的元器件，它有哪些特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)呢？下面我們一起來學(xué)習(xí)一下吧。

一、電感的分類

電感的種類是多種多樣的，根據(jù)不同的分類方式電感可分為不同的類型。

1.根據(jù)安裝方式的不同可分為：表面貼裝型電感和引線型電感；

2.根據(jù)電感形式的不同可分為：固定電感和可調(diào)電感；

3.根據(jù)繞線結(jié)構(gòu)的不同可分為：繞線電感、層疊電感和薄膜電感；

4.根據(jù)磁芯材質(zhì)的不同可分為：空芯電感、鐵氧體電感、金屬合金電感和圧粉磁芯電感；

5.根據(jù)電感用途的不同可分為：高頻電感、功率電感、信號(hào)線電感、濾波電感；

對(duì)于相同類別的電感也可分為不同的等級(jí)：一般等級(jí)和車載等級(jí)，我們?cè)谶x擇電感型號(hào)的時(shí)候要注意區(qū)分，特別是對(duì)于汽車電子和醫(yī)療電子相關(guān)的產(chǎn)品，其對(duì)元器件的穩(wěn)定性要求較高，應(yīng)選擇使用車載等級(jí)型號(hào)的電感。

二、電感的品牌

我們常見的電感品牌主要有以下幾種：

1.村田

2.TDK

3.三星

4.風(fēng)華高科

5.順絡(luò)

6.華新科

7.太誘

8.威世

9.勝美達(dá)

10.奇力新

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，電感的制造工藝已相當(dāng)成熟，國內(nèi)外廠商技術(shù)的差距較小，以順絡(luò)為代表的國內(nèi)電感品牌逐漸崛起，成為主流的電感元器件供應(yīng)商。

三、電感的特性

我們?cè)谑褂秒姼械倪^程中，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇合適的電感，同時(shí)，相同類型的電感其參數(shù)也會(huì)有所差異，需要特別注意。電感常用的參數(shù)主要有以下幾種：

1.電感量。電感量的大小是在一定頻率下測(cè)定的，該頻率一般為100KHz或者1MHz，不同廠家相同封裝尺寸、相同電感量的測(cè)定頻率會(huì)有所差異。電感的電感量不是恒定不變的，而是隨著頻率的增大而變化的，如下圖所示：

圖源|TDK官網(wǎng)

2.精度。對(duì)于一般信號(hào)線用電感和電源用電感，由于加工工藝的原因其精度相對(duì)較低，常見的精度為10%、20%、30%；而高頻電感的精度相對(duì)較高，其電感值一般為nH級(jí)別，常見的精度為0.1%、0.5%、1%。精度的大小可以用字母表示，如下表所示：

3.直流電阻（DCR）。電感本身是存在直流電阻的，盡管該值相對(duì)較小，電感體積越大、電感值越大其直流電阻也就越大，該值一般小于10Ω，因此，在大電流電路應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)注意電感的發(fā)熱問題，避免因電感的發(fā)熱導(dǎo)致性能的下降，進(jìn)而影響電路的正常工作。

4.飽和電流（Isat）。該參數(shù)一般是指電感量下降到初始電感量30%時(shí)的電流大小，我們?cè)谶x擇電感時(shí)應(yīng)注意實(shí)際電路中通過電感的電流應(yīng)小于其飽和電流的大小，且應(yīng)降額使用；電感量的大小會(huì)隨著通過其電流的大小而變化，如下圖所示：

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5.溫升電流（Irms）。該參數(shù)一般是指電感表面溫度相比環(huán)境溫度上升40攝氏度時(shí)的電流大小，電感表面的溫度會(huì)隨著通過其電流的增大而升高，因此，在實(shí)際使用過程中應(yīng)注意該參數(shù)的大小，特別是高溫環(huán)境中的電感的選擇此參數(shù)應(yīng)降額使用。電感的溫升曲線如下圖所示：

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6.自諧振頻率（S.R.F）。該參數(shù)是指使電感不再表現(xiàn)為感性特征時(shí)的頻率，超過該頻率后，電感將表現(xiàn)為容性特征；在高頻信號(hào)應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)注意此參數(shù)的大小。電感值越小，其自諧振頻率越高；電感值越大，其自諧振頻率越低，如下圖所示：

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7.阻抗。電感的阻抗在低頻時(shí)主要由其直流電阻的大小決定，在高頻時(shí)主要由其感抗的大小決定，隨著信號(hào)頻率的增加其阻抗也是增大的，如下圖所示：

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8.品質(zhì)因子（Q）。該參數(shù)是衡量電感性能的重要指標(biāo)，其值越大，代表電感的質(zhì)量越好，損耗越小，越接近理想的電感，Q值的計(jì)算公式如下圖所示：

從以上計(jì)算公式可看出，電感的Q值是隨著信號(hào)頻率的變化而變化的，如下圖所示：

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9.等效電路。電感的高頻等效模型如下圖所示，其中L1為電感值，R1為交流等效電阻，C1為寄生電容，R2為直流等效電阻。通過該模型，能夠清晰的看到電感各個(gè)等效因子對(duì)其特性曲線的影響。

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四、電感的應(yīng)用

在電子電路中，電感應(yīng)用在不同的環(huán)境當(dāng)中有不同的作用，其作用主要有以下幾種類型：

1.濾波。電感具有通直流隔交流的特性，通過和電阻、電容的配合能夠組成低通濾波電路、高通濾波電路以及帶通濾波電路等，有效去除干擾信號(hào)，篩選出有效信號(hào)。

2.諧振。電感和電容能夠組成LC諧振電路，進(jìn)而產(chǎn)生一定頻率的震蕩波形或者篩選出一定頻率的震蕩波形，起到調(diào)諧和選頻的作用。

3.儲(chǔ)能。電感能夠存儲(chǔ)能量并將其釋放，且其對(duì)電流的變化是阻礙作用的，因此能夠?qū)⑺鼞?yīng)用在電路當(dāng)中，起到續(xù)流的作用。

4.阻抗匹配。在天線應(yīng)用電路當(dāng)中，通過電感和電容能夠?qū)崿F(xiàn)天線傳輸線50歐姆阻抗匹配的要求，減小信號(hào)的衰減和反射，此時(shí)的電感值一般為nH級(jí)別。

5.屏蔽。電感在吸收能量的同時(shí)也會(huì)向周圍空間輻射能量，進(jìn)而產(chǎn)生EMI問題，因此，對(duì)于EMI性能有要求的產(chǎn)品，應(yīng)選擇帶屏蔽罩的電感，其中，一體成型的電感其性能是最佳的，應(yīng)優(yōu)先選擇。

在DC-DC電源電路當(dāng)中，電感是重要的組成部分，如果使用不當(dāng)，易產(chǎn)生電感嘯叫的現(xiàn)象。電感嘯叫的原因是復(fù)雜的，既有電感自身的原因也有電源芯片的原因，歸納起來主要有以下三點(diǎn)：

1.DC-DC電源芯片切換工作模式導(dǎo)致的電感嘯叫。一般DC-DC電源芯片是工作在PWM（脈沖調(diào)幅）模式的，此時(shí)的頻率較高，達(dá)到幾百Khz至幾Mhz，該頻率已超過人耳的聽覺范圍，故無法聽到嘯叫聲；當(dāng)電源芯片的負(fù)載電流減小時(shí)，為節(jié)省功耗、提高電源效率，有些電源芯片會(huì)自動(dòng)切換到PFM（脈沖調(diào)頻）模式，此時(shí)的頻率較低，達(dá)到幾百hz至幾十Khz，該頻率就有可能進(jìn)入人耳，產(chǎn)生嘯叫聲。

2.負(fù)載切換工作模式導(dǎo)致的電感嘯叫。在電池供電的設(shè)備當(dāng)中，為節(jié)省功耗，主控芯片會(huì)控制系統(tǒng)進(jìn)入不同的工作模式，正常工作模式時(shí)系統(tǒng)消耗的電流較大，節(jié)電工作模式時(shí)系統(tǒng)消耗的電流較小，這兩種工作模式周期性切換的過程中，引起電感電流頻率的變化，進(jìn)而產(chǎn)生嘯叫聲。

3.電感自身振動(dòng)導(dǎo)致的電感嘯叫。導(dǎo)致電感振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有：

（1）磁性體磁芯產(chǎn)生“磁致伸縮”現(xiàn)象。以鐵氧體等磁性體為磁芯的電感中，繞組所產(chǎn)生的交流磁場會(huì)使磁性體磁芯發(fā)生形變，稱為“磁致伸縮”或者“磁應(yīng)變”，如果該現(xiàn)象使電感振動(dòng)的頻率在人耳可聽范圍之內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)電感嘯叫的聲音。

（2）磁性體磁芯被磁化導(dǎo)致的互相吸引。當(dāng)磁性體被外界的磁場磁化時(shí)將會(huì)表現(xiàn)出磁鐵的特性，以全屏蔽型功率電感器示例，當(dāng)繞組中流過交流電流時(shí)，被磁化的鼓芯與屏蔽磁芯將會(huì)因磁力而相互吸引，若該振動(dòng)在人耳可聽頻率范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)聽到電感的嘯叫聲。

（3）漏磁通導(dǎo)致繞組的振動(dòng)。在不帶有屏蔽磁芯的無屏蔽型功率電感器中，由于無屏蔽型產(chǎn)品為開放磁路結(jié)構(gòu)，因此漏磁通會(huì)對(duì)繞組產(chǎn)生作用。當(dāng)繞組中流過電流時(shí)，根據(jù)左手定則，力會(huì)作用于繞組上；當(dāng)交流電流流過繞組時(shí)，繞組本身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生嘯叫聲。

我們知道了電感嘯叫的原因，那么該如何預(yù)防呢？可以考慮從以下幾點(diǎn)入手解決：

1.選擇DC-DC電源芯片的工作頻率不在人耳聽覺范圍之內(nèi)的芯片；

2.避免電感周圍存在磁性物體，以防其磁化電感；

3.調(diào)整電感的形狀、種類、布局、焊盤大小等以減小或者提高電感的振動(dòng)頻率，優(yōu)先選擇5mm以下尺寸的功率電感。

4.使用金屬一體成型電感，該類型的電感能夠有效解決因電感自身振動(dòng)導(dǎo)致的嘯叫問題。

結(jié)語

電感的種類除了我們常見的幾種類型，它還有其他的形式存在，比如磁珠、磁環(huán)、變壓器、線圈、天線等，不同類型的電感其用途也有所不同，因此，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇相關(guān)的電感類型。

電阻、電容、電感，作為電路中的基礎(chǔ)元器件，它們?cè)陔娐钒彘g義結(jié)金蘭，生死與共，默默無聞地守護(hù)著電子世界的和平！