分立元器件—

基本概念
1.1什么是电感器

电感器是能够把电能转为为磁能存储起来的元件。电感器具有电感，能够阻碍电流的变化，具有维持原状态的能力。即当电流突然通过时，它将阻碍电流流过一段时间；当电流突然断开后，它将维持电流一段时间。

电感是描述电感器对抗电流变化能力的物理量，如果对抗电流变化的能力越强，电感的感性越大，反之越小。

2电感器的工作原理

这要温习一下高中的物理知识，电生磁和磁生电现象。在高中的物理实验中，描述到，当电流通过导线时，导线周围会形成一个磁场，小磁针会发生偏转，如果把导体绕成圈，每圈导体产生的磁场得到重合，磁场整体就会增大，可以吸引起小物体。当在闭合电路中，一部分导体做切割磁感线运动，导体就会产生电。

楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

根据法拉弟电磁感应定律---磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个“新电源”。当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止磁力线的变化的。磁力线变化来源于外加交变电源的变化，故从客观效果看，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性，在电学上取名为“自感应”，通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间，会发生火花，这自感现象产生很高的感应电势所造成的。

电感器具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，频率越高，线圈阻抗越大。因此，电感器的主要功能是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。

3 电感的定义

导体的一种性质，用导体中感生的电动势或电压与产生此电压的电流变化率之比来度量。恒稳电流产生稳定的磁场，不断变化的电流（交流）或涨落的直流产生变化的磁场，变化的磁场使处于磁场的导体感生电动势。感生电动势的大小与电流的变化率成正比。比例因数称为电感，以符号L表示，单位为亨利(H)。

自感：当线圈中有电流通过时，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(感生电动势)(电动势用以表示有源元件理想电源的端电压)，这就是自感。

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。

4 电感的单位

电感在电路中常用L表示，单位：亨利（H），千进制。符号：L、FB、TF、B、BD、CHOK、COK。1亨（H）= 1000毫亨（mH） 1毫亨（mH）= 1000微亨（uH）

电感的单位是Henry，符号是L。L=1 Henry的定义是：电流以每秒钟1安培的节奏变化（1A/s），如果在电感上产生的感应电动势的电压是1V，这种电感就是1 Henry。

在无线电和通信设备中，常见的电感单位是nH（纳亨），应对MHz级别的电流变化；在电源和供电设备中，常见的电感单位是μH（uH，微亨），应对KHz级别的电流变化；在音频设备中，常见的电感单位是mH（豪亨），应对数百Hz～2KHz级别的电流变化。

电感在对抗电流变化的过程中，伴随着电能和磁能的转化，电感的容量越大，所能转化和储存的能量也越大。

5 电感的作用

电感的作用之一：通直流阻交流

以电源为例，DC/DC直流电源是通过不断地开/合MOSFET管以形成所需的电源电压。开合的过程含有大量的交流分量，而这些交流分量是直流电源所不需要的。

根据电感阻抗公式：Z=jω \omegaωL; 频率越高，电感阻抗越大，反之，电感阻抗越小。因此电感具有通直流，阻交流的作用。

电感作用之二：阻碍电流的变化，保持器件工作电流的稳定

电感是用外表绝缘的导线绕制而成的，电磁敏感的线圈。当线圈中通有电流时，线圈周围会产生磁场。当线圈中通有电流时，线圈周围会产生磁场。当电流变化时，线圈感应出电动势，以产生与电流方向相反的感应电流，阻碍这种电流的变化。

电感作用之三：滤波

电平状态高速变换的信号，往往寄生有大量的高频谐波，这些谐波是影响电路工作的噪声。在电路设计中，需要构建低通滤波器滤除这些高频噪声。根据电路原理，低通滤波器往往基于电感和电容构建。

电感器的组成

电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。

1、骨架

　　骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器(如振荡线圈、阻流圈等)，大多数是将漆包线(或纱包线)环绕在骨架上，再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔，以提高其电感量。骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成，根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器(例如色码电感器)一般不使用骨架，而是直接将漆包线绕在磁心上。空心电感器(也称脱胎线圈或空心线圈，多用于高频电路中)不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上绕好后再脱去模具，并将线圈各圈之间拉开一定距离。

2、绕组

　　绕组是指具有规定功能的一组线圈，它是电感器的基本组成部分。绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕(绕制时导线一圈挨一圈)和间绕(绕制时每圈导线之间均隔一定的距离)两种形式;多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种。

3、磁心与磁棒磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体(NX系列)或锰锌铁氧体(MX系列)等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。

4、铁心铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等，其外形多为“E”型。

5、屏蔽罩

　　为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作，就为其增加了金属屏幕罩(例如半导体收音机的振荡线圈等)。采用屏蔽罩的电感器，会增加线圈的损耗，使Q值降低。

6、封装材料有些电感器(如色码电感器、色环电感器等)绕制好后，用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。

电感器的工艺结构

电感的工艺大致可以分为3种：绕线电感、多层片状电感、薄膜电感

3.1绕线电感

铜线绕在一个铁芯上形成一个线圈，绕线方式有两种：圆柱形绕法、平面形绕法

铁芯的磁导率越大，电感值越大。

绕线电感可提供大电流、高感值；磁芯磁导率越大，同样的感值，绕线就少，绕线少就能降低直流电阻；同样的尺寸，绕线少可以绕粗，提高电流。

在电源设计中，遇到电感啸叫的问题，本质就是磁场的变化引起了导体（线圈）的震动，震动频率刚好在人的音频范围内（20hz--20khz）。

3.2 多层片状电感

多层片状电感的制作工艺：将铁氧体或陶瓷浆料干燥成型，交替印刷导电浆料，最后叠层、烧结成一体化结构。

多层片状电感的比绕线电感尺寸小，标准化封装，适合自动化高密度贴装；一体化结构，可靠性高，耐热性好。

4.3 薄膜电感

薄膜电感采用的是类似于IC制作的工艺，在基底上镀一层导体膜，然后采用光刻工艺形成线圈，最后增多介质层、绝缘层、电极层、封装成型。

光刻工艺的精度越高，制作出来的线条更窄、边缘更清晰。

电感的关键参数

1. μi(导磁率)(Permeability)

铁芯的重要参数，铁芯的磁导率越高，电感值会越高。

L(电感值)(Inductance)

L=(4πμiN2A/l)*10-9 (H)，N-线圈圈数，A-磁路截面积，l-磁路平均长度。电感值与铁芯的μi值成正比，与线圈圈数的平方成正比，与测试频率有关(电感值随测试频率的变化关系常用电感的频率曲线来表示)，与环境温度有关。

3. Q(品质因素)

Q值的要求是越高越好， Q=2πfLe/Re (Re是有效电阻，是消耗能量的部份，有效电阻由DCR、表面效应、铁损所贡献) (Le是真实电感扣除分布电容影响后的值)。Q值越高越好。

4. DCR(直流电阻)(Direct Current Resistance)

电感在直流电流下测量得的电阻，DCR值越小越好。目录上通常以其最大值为标注。

5. SRF(自共振频率)(Self-Resonant Frequency)

电感的真实电感与电感的分布电容产生共振时的频率，客户通常对SRF值的要求是越大越好。目录上通常以其最小值为标注。自共振频时电感的表现就像电阻，即 (真实)电感值的感抗(2πfL)与分布电容的容抗 (-1/2πfCd)相互抵消，即2πfL-1/2πfCd=0，所以自共振频率f=1/2π√LCd。自共振频时电感的Le(有效电感值)为0，所以此时的Q值为0。

6. 额定电流(Rated DC Current)

允许通过电感的连续的直流电流强度，超过额定电流使用电感可能导致电感烧毁。电感的额定电流主要与绕制电感的铜线的线径有关(线越粗，电感的额定电流越大)，电感的额定电流还与电感的散热能力有关，散热能力越好，额定电流越大(电感的散热能力与电感的型式、形状、尺寸等有关)。

7. 饱和电流(Saturation Current)

在电感上加一特定量的直流偏压电流，使电感的电感值下降，相对未加电流时的电感值下降10%(铁氧体磁芯)或20% (铁粉芯)，这个直流偏压电流就叫该电感的饱和电流。空芯、陶瓷芯电感是没有饱和电流的。

8. Z值(阻抗值)(Impedance)

电感在交流电流下表现出的阻碍作用的总和，因此阻抗又俗称“交流电阻”。 Z=Re+jX，Re是有效电阻，X是电抗。对于纯电感X=2πfL，又称为感抗，常用XL表示。对于纯电容X=-1/2πfC，又称容抗，常用XC表示。当电感被用于 EMI控制时，客户往往只关心电感的阻抗值的表现，即阻抗值-频率曲线图。由右图可知，该电感其阻抗随频率增加而增加，在低频时其阻抗极低，可使低频之讯号通过而没有损失，而在高频时具有较高阻抗，可有效抑制信号所产生之高次电磁谐波。

9. 居里温度(Curie Temperature)

这是铁芯的一个重要参数，超过此温度铁氧体磁芯将失去磁性。因此要注意电感的工作温度不能超过铁芯的居礼温度。铁芯的磁导率一般在接近居里温度时会急速上升，因而电感值亦上升，居里温度导磁率降至很低，因而使电感值急速下降，当导磁率下降至室温下的10%时，其温度称之为居里温度。

10. 工作温度范围(Operating Temperature Range)

指元件可以安全工作的环境温度范围。

11. 测试频率(Test Frequency)

用来测量电感的电感值或Q值的频率，工业上常用的测试频率包括：1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz，现在的趋势是依客户的使用频率作为测试频率。

电感的选型考虑因素

1、电感量及允许误差

电感量系指产品技术规范所要求的频率测量的电感标称数值。电感是以亨利、毫亨、微亨、纳亨为量值单位，误差细分为：F级（±1%）；G级（±2%）；H级（±3%）；J级（±5%）；K级（±10%）；L级（±15%）；M级（±20%）；P级（±25%）；N级（±30%）；最常用的是J 、K、M级。

2、额定工作电流

取电感器额定电流的1.25～1.5倍为最大工作电流，一般应降额50%使用方较为安全，一般在工程实际应用上，只测量电感的饱和电流，然后取其80%作为额定电流。

3、直流电阻

除功率电感器不测直流电阻（只检查导线规格），其它电感器按要求须规定最大直流电阻，一般越小越好。

4、测试频率

正确测量电感器L 、Q、DCR值，须先按规定在被测电感上施加交变电流，电流的频率越接近该电感的实际工作频率越好。

5、电感量的稳定性

电感器因为环境温度变化1℃所产生电感量的变化△L/△t与原有电感量L值的比值为电感的温度系a1,a1=△L/L*△t。除电感温度系数可决定其稳定性外，还应重视由于机械振动和时效老化所引起的电感量的变化。

6、电感封装尺寸

电感封装一般包括贴片封装与插件封装。做物料清单中如果把封装描述清楚，可以减少用错材料的机率。电感的封装形式也就是指是电感的形状及体积大小的一种描述。

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