談談電感

01-23

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引申閱讀：談談電容 - 硬體之路 - 知乎專欄

器件選型是硬體工程師的基本工作，本文主要從電感的工藝和應用出發，介紹電感如何選型。

一、電感的基本原理

電感，和電容、電阻一起，是電子學三大基本無源器件；電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量。

以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理

如上圖所示，當恆定電流流過線圈時，根據右手螺旋定則，會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流，產生的磁場就是交變磁場，變化的磁場產生電場，線圈上就有感應電動勢，產生感應電流：

電流變大時，磁場變強，磁場變化的方向與原磁場方向相同，根據左手螺旋定則，產生的感應電流與原電流方向相反，電感電流減小；
電流變小時，磁場變弱，磁場變化的方向與原磁場方向相反，根據左手螺旋定則，產生的感應電流與原電流方向相同，電感電流變大。

以上就是楞次定律，最終效果就是電感會阻礙流過的電流產生變化，就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感，電流變化率越高，產生的感應電流越大，那麼電感呈現的阻抗就越高；如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產生的感應電流越大，那麼電感呈現的阻抗就越高。

所以，電感的阻抗於兩個因素有關：一是頻率；二是電感的固有屬性，也就電感的值，也稱為電感。根據理論推導，圓柱形線圈的電感公式如下：

可以看出電感的大小與線圈的大小及內芯的材料有關。

實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：

繞制線圈的導線不是理想導體，存在一定的電阻；
電感的磁芯存在一定的熱損耗；
電感內部的導體之間存在著分布電容。

因此，需要用一個較為複雜的模型來表示實際電感，常用的等效模型如下：

等效模型形式可能不同，但要能體現損耗和分布電容。根據等效模型，可以定義實際電感的兩個重要參數。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由於Cp的存在，與L一起構成了一個諧振電路，其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電感的阻抗隨著頻率增加而變大；在自諧振頻率後，電感的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現容性。

品質因素(Quality Factor)

也就是電感的Q值，電感儲存功率與損耗功率的比，Q值越高，電感的損耗越低，和電感的直流阻抗直接相關的參數。

自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數

二、電感的工藝結構

電感的工藝大致可以分為3種：

2.1 繞線電感(Wire Wound Type)

顧名思義就是把銅線繞在一個磁芯上形成一個線圈，繞線的方式有兩種：

圓柱形繞法(Round Wound)

圓柱形繞法很常見，應用也很廣，例如：

圖片來自Bing，彩虹圈，應該是出彩中國人

平面形繞法(Flat Wound)

平面形繞法也很常見，大家一定見過一掰就斷的蚊香

圖片來自Bing，蚊香

平面形繞法優點很明顯，就是減小了器件的高度。

由前文的公式可知，磁芯的磁導率越大，電感值越大，磁芯可以是

非磁性材料：例如空氣芯、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；這樣電感值較小，但是基本不存在飽和電流
鐵磁性材料：例如鐵氧體、波莫合金等等；合金磁導率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現象，有飽和電流。

繞線電感可提供大電流、高感值；磁芯磁導率越大，同樣的感值，繞線就少，繞線少就能降低直流電阻；同樣的尺寸，繞線少可以繞粗，提高電流。

另外，電源設計中，經常遇到電感嘯叫的問題，本質就是磁場的變化引起了導體，也就是線圈的振動，振動的頻率剛好在音頻範圍內，人耳就可以聽見，合金一體成型電感，比較牢固，可以減少振動。

2.2 多層片狀電感(MultilayerType)

多層片狀電感的製作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料乾燥成型，交替印刷導電漿料，最後疊層、燒結成一體化結構(Monolithic)。

引自The Wonders of Electromagnetism

多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標準化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結構，可靠性高，耐熱性好。

引申閱讀：搜索關鍵詞LTCC、Thick Film

2.3 薄膜電感(Thin FilmType)

薄膜電感採用的是類似於IC製作的工藝，在基底上鍍一層導體膜，然後採用光刻工藝形成線圈，最後增加介質層、絕緣層、電極層，封裝成型。

薄膜器件的製作工藝，如下圖所示

本文作者翻譯，原圖出自The Wonders of Electromagnetism

光刻工藝的精度很高，製作出來的線條更窄、邊緣更清晰。因此，薄膜電感具有

更小的尺寸，008004封裝
更小的Value Step，0.1nH
更小的容差，0.05nH
更好的頻率穩定性

誰能告訴我Value Step如何翻譯才信達雅？

引申閱讀：

Murata Develops World"s Smallest Chip Inductor - 008004 size (0.25 x 0.125 mm)
ATFC-Thin-Film-Inductor
What is Thin Film
What is Thin Film?

三、電感的應用及選型

電感，從工藝技術上，領先的基本上是三大日系廠商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。這三家的產品線完整，基本上可以滿足大多數需求。

三家都有相應的選型軟體，有電感、電容等所有系列的產品及相關參數曲線。

SEAT 2013 - TDK
Simsurfing - Murata
Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

個人感覺TDK和Murata更領先一點，從官網的質量看出來的，像Coilcraft的官網就low一點，畢竟網站也是需要投資的。

在電路設計中，電感主要有三大類應用：

功率電感：主要用於電壓轉換，常用的DCDC電路都要使用功率電感；
去耦電感：主要用於濾除電源線或信號線上的雜訊，EMC工程師應該熟悉；
高頻電感：主要用於射頻電路，實現偏置、匹配、濾波等電路。

3.1 功率電感

功率電感通常用於DCDC電路中，通過積累並釋放能量來保持連續的電流。

功率電感大都是繞線電感，可以提高大電流、高電感；

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀功率電感也越來越多，通常電感值和電流都較低，優點是成本較低、體積超小，在手機等空間限制較大的產品中有較多應用。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

功率電感需要根據所選的DCDC晶元來選型。通常，DCDC晶元的規格書上都有推薦的電感值，以及相關參數的計算，這裡不再贅述。從電感本身的角度來說明如何選型。

上圖截圖至TY-COMPAS

電感值

通常應使用DCDC晶元規格書推薦的電感值；電感值越大，紋波越小，但尺寸會變大；通常提高開關頻率，可以使用小電感，但開關頻率提高會增加系統損耗，降低效率；

額定電流

功率電感一般有兩個額定電流，即溫升電流和飽和電流；

當電感有電流通過的時候，由於損耗的存在，電感發熱而產生溫升，電流越大，溫升越大；在額定的溫度範圍內，允許的最大電流即為溫升電流。

增加磁芯的磁導率，可以提高電感值，通常使用鐵磁性材料做磁芯。鐵磁性材料存在磁飽和現象，即當磁場強度超過一定值時，磁感應強度不在增加，即磁導率下降了，也就是電感下降了。在額定電感值範圍內，允許的最大電流即為飽和電流。

磁滯回線：磁性材料-------鐵氧磁體,比重計，多孔性材料密度儀，液體密度計，固體顆粒體積測試儀，磁性材料密度儀

通常對DCDC電路設計，要計算峰值（PEAK）電流和均方根（RMS）電流，通常規格書中會給出計算公式。

溫升電流是對電感熱效應的評估，根據焦耳定律，熱效應需要考慮一段時間內的電流對時間的積分；選擇電感時，設計RMS電流不能超過電感溫升電流。

為了保證在設計範圍內電感值穩定，設計峰值電流不能超過電感的飽和電流。

為了提高可靠性，降額設計是必須的，通常建議工作值應降額到不高於額定值的80%。當然降額幅度過大會大幅提高成本，需要綜合考慮。

直流電阻

電感的直流電阻會產生熱損耗，導致溫升，降低DCDC效率；因此，當對效率敏感時，應選擇直流阻抗低的電感，例如15毫歐。

還有就是根據產品的應用溫度要求、是否需要滿足RoHS、汽車級Q200等標準的要求、還有PCB結構限制。

大電流的應用，電感的漏磁就會相當可觀，會對周圍電路，例如CPU等造成影響。我之前就遇到過X86的CORE電的電感漏磁造成CPU無法啟動的現象。因此，大電流應用，應選擇屏蔽性能好的電感並且Layout時注意避開關鍵信號。

引申閱讀：Inductors for Power Lines

3.2 去耦電感

去耦電感也叫Choke，教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的干擾，屬於EMC器件，EMC工程師主要用來解決產品的輻射發射(RE)和傳導發射(CE)的測試問題。

去耦電感，通常結構比較簡單，大都是銅絲直接繞在鐵氧體環上。個人覺得可以分為差模電感和共模電感。這裡不再贅述共模和差模的概念。

差模電感

差模電感就是普通的繞線電感，用於濾除一些差模干擾，主要就是與電容一起構成LC濾波器，減小電源雜訊。

對於220V市電，差模干擾就是L相到N相之間的干擾；對POE來說，就是POE+和POE-之間的干擾；對於主板上的低壓直流電源，其實就是電源雜訊。

差模電感選型需要注意一下幾點：

? 直流電阻、額定電壓和電流，要滿足工作要求；

? 結構尺寸滿足產品要求；

? 通過測試確定雜訊的頻段，根據電感的阻抗曲線選擇電感；

? 設計LC濾波器，可以做簡單的計算和模擬。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用來濾除主板上的低壓直流電源的雜訊，但磁珠與去耦電感有區別的。

? 磁珠是鐵氧體材料燒制而成，高頻時鐵氧體的磁損耗(等效電阻)變得很大，高頻雜訊被轉化成熱能耗散了；

? 去耦電感是線圈和磁芯組成，主要是線圈電感起作用；

? 磁珠只能濾除較高頻的雜訊，低頻不起作用；

? 去耦電感可以繞製成較高感值，濾除低頻雜訊。

磁珠等效電路模型

引申閱讀：Understanding Ferrite Beads and Applications

引申閱讀：Ferrite Bead Inductors

共模電感

共模電感就是在同一個鐵氧體環上繞制兩個匝數相同、繞向相反的線圈。

如上圖所示的共模電感：

當有共模成分流過共模電感時，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相同的磁場，相互加強，相當於對共模信號存在較高的感抗；
當有差模成分流過共模電感時，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相反的磁場，相互抵消，相當於對差模信號存在較低的感抗。

換一個方式理解：當V+上流過一個頻率的共模干擾，形成的交變磁場，會在另一個線圈上形成一個感應電流，根據左手定則，感應電流的方向與V-上共模干擾的方向相反，就抵消了一部分，減小了共模干擾。

共模電感主要用於雙線或者差分系統，如220V市電、CAN匯流排、USB信號、HDMI信號等等。用於濾除共模干擾，同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點：

直流阻抗要低，不能對電壓或有用信號產生較大影響；
用於電源線的話，要考慮額定電壓和電流，滿足工作要求；
通過測試確定共模干擾的頻段，在該頻段內共模阻抗應該較高；
差模阻抗要小，不能對差分信號的質量產生較大影響；
考慮封裝尺寸，做兼容性設計。例如用於USB信號的共模電感，選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容，不需要共模電感時，可以直接焊0402電阻，降低成本。

下圖是某共模電感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模干擾頻率在10MHz左右，濾波效果很好，但如果是100kHz，可能就沒什麼效果。如果差分信號速率較高，100M以上，可能就會影響信號質量。

引申閱讀：Common mode choke coils

3.3 高頻電感

高頻電感主要應用於手機、無線路由器等產品的射頻電路中，從100MHz到6GHz都有應用。

高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用：

匹配(Matching)：與電容一起組成匹配網路，消除器件與傳輸線之間的阻抗失配，減小反射和損耗；
濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾出一些不想要的頻率成分，防止干擾器件工作；
隔離交流(Choke)：在PA等有源射頻電路中，將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離；
諧振(Resonance)：與電容一起構成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；
巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉換，與電容一起構成LC巴侖，實現單端射頻信號與差分信號之間的轉換。

之前介紹的三種結構，都可以用來製作高頻電感，下面介紹下他們的特點：

多層型

多層型通過燒結，形成一個整體結構，或叫獨石型(Monolithic)

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

多層片狀電感的，相比於其他兩種就是Q值最低，最大的優勢就是成本低，性價比高，適合於大多數沒有特殊要求的應用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型，沒有繞線型和薄膜型。

TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，這三個系列的產品基本一樣，最便宜，性價比高。

當然隨著工藝技術的提升，現在也有高Q值系列的多層片狀電感，例如TDK的MHQ系列、太陽誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個MLG系列，有0402封裝，感值可以做0.3nH，Value Step0.1nH，容差0.1nH，接近薄膜電感的性能，價格還便宜。

繞線型

現在的工藝水平已經越來越高，繞線電感也可以做到0402封裝。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

繞線型工藝，其導線可以做到比多層和薄膜結構粗，因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值，同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯，可以得到較高的感值，可以應用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封裝，號稱世界上最小的繞線電感。

薄膜型

採用光刻工藝，工藝精度極高，因此電感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高，感值穩定，Q值較高。

原圖出自Murata Chip Inductor Catalog

Murata的LQP系列，可以做到01005封裝，高精度產品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，這三個參數值可以說是當前電感的極限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三種工藝的高頻電感，選擇了同感值(1.5nH)、同封裝、同容差的電感對比。

可以看出繞線型的Q值明顯高於其他兩種，而薄膜型的電感值的頻率穩定性高於其他兩種。當然，多層型的成本明顯低於其他兩種。

選擇高頻電感時，除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度、封裝尺寸外，還要關注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩定性。

電感值通常需要根據模擬、實際調試或者參考設計來確定。大多數情況，多層片狀高頻電感已能滿足要求，一些特殊場合可能需要關註：

電感值較大，自諧振頻率較低，需要注意工作頻率應遠低於自諧振頻率。
大功率射頻設備，PA偏置電流較大，需要選擇繞線型以滿足電流要求；同時大功率設備溫升較高，需要考慮工作溫度；
對於一些寬頻設備，需要電感值在帶寬內穩定，那麼應選擇薄膜電感；
對於高精度的VCO電路中，作為LC諧振源，只有薄膜電感能提高0.05nH的容差；
像手機、穿戴式設備，尺寸可能是最關鍵的因素，薄膜電感可能是比較好的選擇。

有一些高頻電感具有方向性，貼片安裝的方向對電感值有一定影響，如下圖所示：

引自Why is there a direction mark on inductors?

可以看出，標記點朝側面，感值變化較大，所以貼片時應注意讓電感上的標記點朝上。

另外，Layout時，應注意兩個電感不能緊鄰著放置，至少距離20mil以上。原因就是磁場會相互影響，從而影響感值，參考前文共模電感示意圖。

引申閱讀：

RF Inductors
選擇射頻電感的關鍵參數

結語：選型要清楚器件的原理和應用，綜合考慮成本、降額、兼容性等多種因素。

——————————————————本文完——————————————————

V1.0_2016.08.04