电路中的磁性器件

磁性元器件—电感器和变压器与其他电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器。因为没有一个在规定范围内通用的规范化的参数，而表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。

磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多，要得到唯一的答案是困难的。因为要涉及到许多因素，因此设计结果绝不是唯一合理的。考虑的不仅是最小体积，最低成本，或最高效率，还要包含结构、工艺、散热以及干扰等设计。高频开关电源的很多麻烦是由于磁性元件工艺、结构不合理引起的。

电感器是依据电磁感应原理，由导线绕制而成。在电路中具有通直流、阻交流的作用。在电路图中用符号L表示，主要参数是电感量，单位是亨利，用H表示。依据电磁感应原理，电感器派生出很多种器件。

Z=R+jX            R=ωL0μ’’         X=ωL0μ’

电感器种类

1  小型固定电感器

小型固定电感器通常是用漆包线在磁心上直接绕制而成，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。

1. 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，有LG1、LGA、LPH等系列。LG1系列电感器的电感量范围为0.1~100000μH，额定电流分为50mA、150mA、300mA、700mA和1.6A五种规格。LGA系列电感器采用超小型结构，外形与1/2W色环电阻器相似，其电感量范围为0.22~1000μH，额定电流为0.04~1.4A。LPH系列电感器也为小型封装结构，其电感量范围为3.9~18000μH。误差范围为±5%~±20%。

2. 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，有LG2P、LG2S、LPV等系列。电感量范围为0.1~100000μH，额定工作电流为0.05~2.0A，误差范围为±5%~±20%。

2 可调电感器

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。

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。

1. 高频阻流线圈：高频阻流线圈也称高频扼流线圈，它用来阻止高频交流电流通过。v高频阻流线圈工作在高频电路中，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。

2. 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。

4 按应用原理分类

• 储能类：包括起储能作用的储能电感器，谐振电感器；开关电源电感器(BUCK电感、BOOST电感等)。

• EMI滤波类：包括差模电感器；共模电感器；  无源PFC电感器；LC滤波电感器。起交流和直流滤波作用的滤波电感器;起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，尖峰抑制电感器；起抑制噪声作用的噪声滤波电感器;起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器;

• 其他类：起开关作用的磁性开关电感器；起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器。

5 按封装结构分类

• 金属壳密封类：金属密封壳装有单独制造的出头和引出端，此类别不包括用绝缘引线穿过金属壳的电感器。

• 灌封类：包括模注灌封或包封结构，以及包括具有金属壳，一端或者两端敞开并用灌封材料填充的电感器，或者用用绝缘引线穿过金属壳的电感器。

• 开放类：开放类就是除金属壳类、灌封类以外的电感器，包括端封式结构的电感器。

电感器的主要参数

1、电感量

反应电感储存磁场能的本领，它的大小与电感线圈的匝数、几何尺寸、有无磁心(铁心)、磁心的导磁率有关。在同等条件下，匝数多电感量大，线圈直径大电感量大，有磁心比没磁心电感量大。用于高频电路的电感量相对较小，用于低频电路的电感量相对较大。电感量的单位为亨(H)

L=Ψ/I=NAeB/I=N2AeB/Hle

=μ0μeN2Ae/le

2、标称电流值

电感器长期工作不损坏所允许通过的最大电流。它是高频、低频扼流线圈和大功率谐振线圈的重要参数。常以字母A、B、C、D、E来分别表示标称电流值50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA。应用时实际通过电感器的电流不宜超过标称电流值。

更详细内容：功率电感器的额定电流为什么有两种？

3、品质因数(Q值)：

电感线圈中储存能量与消耗能量的比值称为品质因数。又称Q值。或是线圈所呈现的感抗与线圈直流电阻的比值，Q=wL/R。电感器的Q值一般为50-300，Q值与线圈的结构(导线粗细、多股或单股、绕法、磁心)有关，Q值越高，电路的损耗越小。在调谐回路中，要求Q较高，以减小与线圈回路的损耗；在滤波回路中，Q值不宜过高，以免使其与滤波电容构成谐振回路，对电路产生影响，对于高频扼流圈和低频扼流圈不做要求。

4 精度等级

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±0.5%；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%~20%。

5、分布电容：指线圈匝与匝之间形成的分布电容，它降低了线圈的品质因数Q，也使线圈的工作频率受到限制。高频线圈采用减小线圈骨架直径，采用细导线绕制、蜂房式或分段式绕法就是为了减少分布电容。

6、自谐频率：电感在其SRF时,电感的分布电容与电感值产生共振,此时电感值与电容值相等而互相抵销。电感的Q值在共振频率时,Q=0,XL=0,故此时电感出现具高阻抗值。电感超过此频率则失效成电容性产品,故一般讯号用电感会订SRFmin

我们知道谐振频率f=1/(2π√LC)，该式里有2个参数决定f，就是L和C。由式可知，LC越小，频率越高。在电容一定的情况下，可以考虑减小电感，提高自谐振频率；如果电感一定，就要考虑怎么减小分布电容，而电容的公式是C=ε·S/4πkd，这里有三个变量，ε，S和d，介电常数ε也就是电感里面的填充材料，看是否有可选材料减小介电常数，另一个是S，就是减小接触面积，也就是电感里面的每一圈绕线的接触面积减小，第三个是d，可以考虑每一圈线疏绕。或者用高u的磁芯，减少绕线圈数等。

气隙对磁特性的影响

磁棒的有效磁导率

应力对磁性能的影响

变压器

1. 变压器按工作频率可分为高频变压器、中频变压器和低频变压器。

2. 变压器按其用途可分为电源变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器、恒压变压器、耦合变压器、自耦变压器、隔离变压器等多种。

3. 变压器按铁心(磁心)形状可分为“E”型变压器、“C”型变压器和环型变压器。

变压器的损耗与磁漏

磁材料的磁传递特性

漏感对特性的影响

漏感公式：Ls=μ0N2dg/h

N为初级匝数，h绕线宽度，d为两线圈间隙高度，g两线圈间的平均周长C=2πr。
1、减少初级匝数可以降低漏感。N减小Ls减小。
2、增加绕线宽度，h增大Ls减小。
3、减小绝缘厚度，d减小Ls减小。
4、减小绕组层数，g减小Ls减小。
5、不满层的绕组选择疏绕满层，h增大Ls减小。
6、绕组绕紧且分布均匀，减小g来减小Ls。
7、减小气息，降低漏感。

8、增加耦合减小漏感，用三明治绕法。

变压器参数

1、额定功率

指在规定频率和电压下，变压器长期工作而不超过规定的温升的最大输出功率，额定功率中会有部分无功功率，故单位为VA。一般在数百伏安以下。

2、变压比n

是指变压器一、二次绕组电压比。如果忽略了铁心、线圈的损耗此值近似等于一、二次绕组的匝数比，这个参数表明了该变压器是升压变压器还是降压变压器。

n=U1/U2=N1/N2

3、电流与电压的关系

若不考虑变压器的损耗，则  U1.I1=U2.I2或 U1/U2=I2/I1

4、阻抗变换关系

初级输入阻抗Z1与次级负载阻抗Z2的关系可由欧姆定律导出。

U1/Z1=I1  U2/Z2=I2代入上式得到

Z1/Z2=(U1/U2)2=n2    Z1=n2Z2

所以变压器有变换阻抗的作用。

5、效率η：

在额定负载时，变压器输出功率占输入功率的百分数。η＝(Po/Pi)×100%

它与设计参数、材料、制造工艺及功率有关。通常20VA以下效率为70%-80%，而100VA以上效率可达95%以上。一般电源、音频变压器考虑效率，中频、高频变压器不考虑效率。

6、绝缘电阻和耐压强度

是变压器安全工作的重要参数

绝缘电阻：变压器线圈之间、线圈与铁芯之间以及引线之间的电阻。

抗电强度：在规定时间内(如１分钟)变压器可承受的电压。

小型电源变压器绝缘电阻不小于500MW, 抗电强度大于2000V。

磁心选择

铜线选择

趋肤效应:当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小，电流集中在导线外表的薄层。结果导线的电阻增加，使它的损耗功率也增加。

集肤深度:分别对应室温20 ℃和温度100 ℃，有δ = 6.6 / √ f 和 δ= 7.65/ √ f 两个公式，结果为cm 。根据集肤深度选择铜导线的直径或厚度。

铜导体的集肤深度：(20℃)

高频电路中存在集肤效应的影响，频率越高集肤效应越严重，如1MHz集肤效应在60μm厚层面，500MHz集肤效应在3.0μm厚层面，1GHz集肤效应在2.1μm厚层面，10GHz集肤效应在0.7μm厚层面。信号沿着导线表面(包括四侧面)流动，希望导线表面平滑，因粗糙表面会延迟信号传输时间。现在印制板用铜箔粗化面是2μm～3μm，凹凸轮廓还显大，要求更低轮廓铜箔以满足高频电流的传输。