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电感选取技巧！

发布时间：

2021-03-10

器件选型是硬件工程师的基本工作，本文主要从电感的工艺和应用出发，介绍电感如何选型。

 

01 电感的基本原理

 

电感，和电容、电阻一起，是电子学三大基本无源器件；电感的功能就是以磁场能的形式储存电能量。

以圆柱型线圈为例，简单介绍下电感的基本原理

如上图所示，当恒定电流流过线圈时，根据右手螺旋定则，会形成一个图示方向的静磁场。而电感中流过交变电流，产生的磁场就是交变磁场，变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流：

  • 电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原磁场方向相同，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相反，电感电流减小；

  • 电流变小时，磁场变弱，磁场变化的方向与原磁场方向相反，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

以上就是楞次定律，最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化，就是电感对交变电流呈高阻抗。同样的电感，电流变化率越高，产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高；如果同样的电流变化率，不同的电感，如果产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高。
 

所以，电感的阻抗于两个因素有关：一是频率；二是电感的固有属性，也就电感的值，也称为电感。根据理论推导，圆柱形线圈的电感公式如下：

可以看出电感的大小与线圈的大小及内芯的材料有关。
 
实际电感的特性不仅仅有电感的作用，还有其他因素，如：

  • 绕制线圈的导线不是理想导体，存在一定的电阻；

  • 电感的磁芯存在一定的热损耗；

  • 电感内部的导体之间存在着分布电容。

因此，需要用一个较为复杂的模型来表示实际电感，常用的等效模型如下：

等效模型形式可能不同，但要能体现损耗和分布电容。根据等效模型，可以定义实际电感的两个重要参数：
 
❶  自谐振频率(Self-Resonance Frequency)
由于Cp的存在，与L一起构成了一个谐振电路，其谐振频率便是电感的自谐振频率。在自谐振频率前，电感的阻抗随着频率增加而变大；在自谐振频率后，电感的阻抗随着频率增加而变小，就呈现容性。
 

❷  品质因素(Quality Factor)

也就是电感的Q值，电感储存功率与损耗功率的比，Q值越高，电感的损耗越低，和电感的直流阻抗直接相关的参数。自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数。

02 电感的工艺结构

 

电感的工艺大致可以分为3种：
 

2.1  绕线电感(Wire Wound Type)

顾名思义就是把铜线绕在一个磁芯上形成一个线圈，绕线的方式有两种：
❶  圆柱形绕法(Round Wound)

圆柱形绕法很常见，应用也很广，例如：

❷  平面形绕法(Flat Wound)

平面形绕法也很常见，大家一定见过一掰就断的蚊香

平面形绕法优点很明显，就是减小了器件的高度。
由前文的公式可知，磁芯的磁导率越大，电感值越大，磁芯可以是

  • 非磁性材料：例如空气芯、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；这样电感值较小，但是基本不存在饱和电流

  • 铁磁性材料：例如铁氧体、波莫合金等等；合金磁导率比铁氧体大；铁磁性材料存在磁饱和现象，有饱和电流。

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。
 

另外，电源设计中，经常遇到电感啸叫的问题，本质就是磁场的变化引起了导体，也就是线圈的振动，振动的频率刚好在音频范围内，人耳就可以听见，合金一体成型电感，比较牢固，可以减少振动。

2.2  多层片状电感(Multilayer Type)

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(Monolithic)。

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。
 

2.3  薄膜电感(Thin Film Type)

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，最后增加介质层、绝缘层、电极层，封装成型。
 

薄膜器件的制作工艺，如下图所示

光刻工艺的精度很高，制作出来的线条更窄、边缘更清晰。因此，薄膜电感具有

  • 更小的尺寸，008004封装

  • 更小的Value Step，0.1nH

  • 更小的容差，0.05nH

  • 更好的频率稳定性

 

03 电感的应用及选型

 

电感，从工艺技术上，领先的基本上是三大日系厂商：TDK、Murata、Taiyo Yuden。这三家的产品线完整，基本上可以满足大多数需求。
 
三家都有相应的选型软件，有电感、电容等所有系列的产品及相关参数曲线。

  • SEAT 2013 - TDK

  • Simsurfing - Murata

  • Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

个人感觉TDK和Murata更领先一点，从官网的质量看出来的，像Coilcraft的官网就low一点，毕竟网站也是需要投资的。
在电路设计中，电感主要有三大类应用：

  • 功率电感：主要用于电压转换，常用的DCDC电路都要使用功率电感；

  • 去耦电感：主要用于滤除电源线或信号线上的噪声，EMC工程师应该熟悉；

  • 高频电感：主要用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。

3.1  功率电感

功率电感通常用于DCDC电路中，通过积累并释放能量来保持连续的电流。
 

功率电感大都是绕线电感，可以提高大电流、高电感；

多层片状功率电感也越来越多，通常电感值和电流都较低，优点是成本较低、体积超小，在手机等空间限制较大的产品中有较多应用。

功率电感需要根据所选的DCDC芯片来选型。通常，DCDC芯片的规格书上都有推荐的电感值，以及相关参数的计算，这里不再赘述。从电感本身的角度来说明如何选型。

❶  电感值
通常应使用DCDC芯片规格书推荐的电感值；电感值越大，纹波越小，但尺寸会变大；通常提高开关频率，可以使用小电感，但开关频率提高会增加系统损耗，降低效率；
 
❷  额定电流
功率电感一般有两个额定电流，即温升电流和饱和电流；
当电感有电流通过的时候，由于损耗的存在，电感发热而产生温升，电流越大，温升越大；在额定的温度范围内，允许的最大电流即为温升电流。
 

增加磁芯的磁导率，可以提高电感值，通常使用铁磁性材料做磁芯。铁磁性材料存在磁饱和现象，即当磁场强度超过一定值时，磁感应强度不在增加，即磁导率下降了，也就是电感下降了。在额定电感值范围内，允许的最大电流即为饱和电流。

磁滞回线：磁性材料-------铁氧磁体,比重计，多孔性材料密度仪，液体密度计，固体颗粒体积测试仪，磁性材料密度仪。
 
通常对DCDC电路设计，要计算峰值（PEAK）电流和均方根（RMS）电流，通常规格书中会给出计算公式。
 
温升电流是对电感热效应的评估，根据焦耳定律，热效应需要考虑一段时间内的电流对时间的积分；选择电感时，设计RMS电流不能超过电感温升电流。
 
为了保证在设计范围内电感值稳定，设计峰值电流不能超过电感的饱和电流。
 
为了提高可靠性，降额设计是必须的，通常建议工作值应降额到不高于额定值的80%。当然降额幅度过大会大幅提高成本，需要综合考虑。
 
❸  直流电阻
电感的直流电阻会产生热损耗，导致温升，降低DCDC效率；因此，当对效率敏感时，应选择直流阻抗低的电感，例如15毫欧。
 
还有就是根据产品的应用温度要求、是否需要满足RoHS、汽车级Q200等标准的要求、还有PCB结构限制。
 
大电流的应用，电感的漏磁就会相当可观，会对周围电路，例如CPU等造成影响。我之前就遇到过X86的CORE电的电感漏磁造成CPU无法启动的现象。因此，大电流应用，应选择屏蔽性能好的电感并且Layout时注意避开关键信号。
 
3.2  去耦电感
去耦电感也叫Choke，教科书上通常翻译成扼流圈。去耦电感的作用是滤除线路上的干扰，属于EMC器件，EMC工程师主要用来解决产品的辐射发射(RE)和传导发射(CE)的测试问题。
 
去耦电感，通常结构比较简单，大都是铜丝直接绕在铁氧体环上。个人觉得可以分为差模电感和共模电感。这里不再赘述共模和差模的概念。
差模电感
 

差模电感就是普通的绕线电感，用于滤除一些差模干扰，主要就是与电容一起构成LC滤波器，减小电源噪声。

对于220V市电，差模干扰就是L相到N相之间的干扰；对POE来说，就是POE+和POE-之间的干扰；对于主板上的低压直流电源，其实就是电源噪声。
 
差模电感选型需要注意一下几点：
 

  • 直流电阻、额定电压和电流，要满足工作要求；

  • 结构尺寸满足产品要求；

  • 通过测试确定噪声的频段，根据电感的阻抗曲线选择电感；

  • 设计LC滤波器，可以做简单的计算和仿真。

磁珠(Ferrite Bead)，也常用来滤除主板上的低压直流电源的噪声，但磁珠与去耦电感有区别的。
 

  • 磁珠是铁氧体材料烧制而成，高频时铁氧体的磁损耗(等效电阻)变得很大，高频噪声被转化成热能耗散了；

  • 去耦电感是线圈和磁芯组成，主要是线圈电感起作用；

  • 磁珠只能滤除较高频的噪声，低频不起作用；

  • 去耦电感可以绕制成较高感值，滤除低频噪声。

❶  磁珠等效电路模型

❷  共模电感  

共模电感就是在同一个铁氧体环上绕制两个匝数相同、绕向相反的线圈。

如上图所示的共模电感：
  • 当有共模成分流过共模电感时，根据右手定则，会在两个线圈形成方向相同的磁场，相互加强，相当于对共模信号存在较高的感抗；
  • 当有差模成分流过共模电感时，根据右手定则，会在两个线圈形成方向相反的磁场，相互抵消，相当于对差模信号存在较低的感抗。
换一个方式理解：当V+上流过一个频率的共模干扰，形成的交变磁场，会在另一个线圈上形成一个感应电流，根据左手定则，感应电流的方向与V-上共模干扰的方向相反，就抵消了一部分，减小了共模干扰。
 
共模电感主要用于双线或者差分系统，如220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等等。用于滤除共模干扰，同时有用的差分信号衰减较小。
 
共模电感选型需要注意一下几点：
  • 直流阻抗要低，不能对电压或有用信号产生较大影响；
  • 用于电源线的话，要考虑额定电压和电流，满足工作要求；
  • 通过测试确定共模干扰的频段，在该频段内共模阻抗应该较高；
  • 差模阻抗要小，不能对差分信号的质量产生较大影响；
  • 考虑封装尺寸，做兼容性设计。例如用于USB信号的共模电感，选择封装可以与两个0402的电阻做兼容，不需要共模电感时，可以直接焊0402电阻，降低成本。

下图是某共模电感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模干扰频率在10MHz左右，滤波效果很好，但如果是100kHz，可能就没什么效果。如果差分信号速率较高，100M以上，可能就会影响信号质量。
 

3.3  高频电感

高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中，从100MHz到6GHz都有应用。
 
高频电感在射频电路中主要有以下几种作用：
  • 匹配(Matching)：与电容一起组成匹配网络，消除器件与传输线之间的阻抗失配，减小反射和损耗；
  • 滤波(Filter)：与电容一起组成LC滤波器，滤出一些不想要的频率成分，防止干扰器件工作；
  • 隔离交流(Choke)：在PA等有源射频电路中，将射频信号与直流偏置和直流电源隔离；
  • 谐振(Resonance)：与电容一起构成LC振荡电路，作为VCO的振荡源；
  • 巴仑(Balun)：即平衡不平衡转换，与电容一起构成LC巴仑，实现单端射频信号与差分信号之间的转换。
之前介绍的三种结构，都可以用来制作高频电感，下面介绍下他们的特点：
 
❶  多层型

多层型通过烧结，形成一个整体结构，或叫独石型(Monolithic)

多层片状电感的，相比于其他两种就是Q值最低，最大的优势就是成本低，性价比高，适合于大多数没有特殊要求的应用。TDK和Taiyo Yuden的高频电感都只有多层型，没有绕线型和薄膜型。
 
TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，这三个系列的产品基本一样，最便宜，性价比高。
 
当然随着工艺技术的提升，现在也有高Q值系列的多层片状电感，例如TDK的MHQ系列、太阳诱电的HKQ系列。
 
TDK的多层电感做的更好更全，还有一个MLG系列，有0402封装，感值可以做0.3nH，Value Step 0.1nH，容差0.1nH，接近薄膜电感的性能，价格还便宜。
 
❷  绕线型

现在的工艺水平已经越来越高，绕线电感也可以做到0402封装。

绕线型工艺，其导线可以做到比多层和薄膜结构粗，因此可以获得极低的直流电阻。也意味着极高的Q值，同时可以支持较大的电流。将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯，可以得到较高的感值，可以应用与中频。
 
Murata的LQW系列可以做到03015封装，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封装，号称世界上最小的绕线电感。
 
❸  薄膜型

采用光刻工艺，工艺精度极高，因此电感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高，感值稳定，Q值较高。

Murata的LQP系列，可以做到01005封装，高精度产品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。
 

Murata有三种工艺的高频电感，选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。

可以看出绕线型的Q值明显高于其他两种，而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种。当然，多层型的成本明显低于其他两种。
 
选择高频电感时，除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外，还要关注自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。
电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况，多层片状高频电感已能满足要求，一些特殊场合可能需要关注：
 

  • 电感值较大，自谐振频率较低，需要注意工作频率应远低于自谐振频率。

  • 大功率射频设备，PA偏置电流较大，需要选择绕线型以满足电流要求；同时大功率设备温升较高，需要考虑工作温度；

  • 对于一些宽带设备，需要电感值在带宽内稳定，那么应选择薄膜电感；

  • 对于高精度的VCO电路中，作为LC谐振源，只有薄膜电感能提高0.05nH的容差；

  • 像手机、穿戴式设备，尺寸可能是最关键的因素，薄膜电感可能是比较好的选择。

 

有一些高频电感具有方向性，贴片安装的方向对电感值有一定影响，如下图所示：

可以看出，标记点朝侧面，感值变化较大，所以贴片时应注意让电感上的标记点朝上。
 
另外，Layout时，应注意两个电感不能紧邻着放置，至少距离20mil以上。原因就是磁场会相互影响，从而影响感值，参考前文共模电感示意图。
 

结语：选型要清楚器件的原理和应用，综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素。

 

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