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电子元件什么是电感电感的原理基础知bd体育识
2023-10-11 06:28:51
本文旨在用尽量通俗易懂的语言来讲清楚电感器的基础认知。在服用本教程后，你将会系统性的了解如下内容：
本教程主要用做公司内部知识管理与分享，由于笔者水平有限，如发现有不正确或者值得商榷之处，敬请指正。
很多人会将电感和电感器的概念混淆, 实际我们所说的Inductor称做‘电感器’更为贴切。
高频电感器，也叫射频电感器、RF电感器，主要是指用于射频电路或信号线路的电感器。高频电感器主要有如下特点：
用于高频信号线：用在高频信号线的电感称为‘高频电感器’，也叫作‘射频电感’或‘RF电感器’。
白色：这类电感器的芯体通常呈现出白色，原因是常见的芯体材料是‘氧化铝’，即最常见的陶瓷材料。
空芯线圈：高频电感器本质上是空芯线圈 - 线圈绕在‘氧化铝’陶瓷材料制成的芯体上，芯体的主要作用是固定线圈，使整体结构稳定不易变形，同时使电感器具备高频特性。
小尺寸：高频电感器仅需要通过很小的电流（电信号），所以一般都是很小尺寸的电子元件，并且在将来趋势上会越来越小。
精度高：由于没有铁氧体磁芯，其电感属性仅靠自身的线圈来产生，电感量的公差较为容易控制。由于多用于射频信号的匹配电路，如果公差过大，可能会导致信号有好有差，甚至出现信号丢失的现象。其精度-电感量公差基本上都在±5%以内，甚至±1%以内。
Tips：不同品牌或不同系列的高频电感器即便是参数一致也不要做直接替换，一定要验证、验证、验证。
功率电感器，也叫Power Inductor，主要是指用于电源电路的电感器。功率电感器主要有如下特点：
深色：芯体材料大多呈现黑色或褐色，其原因是常见的芯体材料主要成分是‘铁氧体’即‘氧化铁’。
线圈绕在‘磁芯’上：线圈中心插入了含‘铁氧体’的磁芯，作用是使其电感属性得到加强，电感值增大。
尺寸一般比高频电感器大：为了追求低损耗、大电流，往往需要用更粗的线圈绕制，所以有很多较大尺寸的功率电感器；由于近年来手机等领域追求小型化的设计，各电感器品牌厂商也在绞尽脑汁更新设计，以在满足客户要求的前提下尽量缩减尺寸。
精度低：与高频电感器相反，由于铁氧体磁芯的插入以及铁氧体屏蔽罩的加入，使其电感属性得到加强、电感值得到增加。但是会增加一些新的物理公差包含但不限于：铁氧体磁芯本身尺寸公差、组装位置公差、材料磁导率公差等，使其精度比高频电感难控制。其精度-电感量公差基本上都在±10%以上，甚至一些小感值的公差达到±30%。虽然精度低，但是其使用场景往往不需要高精度。
Tips 1：不同品牌或不同系列的功率电感器参数接近的话可以做直接替换。
磁珠全称叫铁氧体磁珠，也是属于电感器的一种，在客户需求端的引导下特别调整材料和结构，使其展现出多种多样的阻抗频率特性。磁珠的主要特点：
深色：芯体材料大多呈现黑色或褐色，其原因是常见的芯体材料主要成分是‘氧化铁’。
线圈绕在‘磁芯’上：线圈中心插入了含‘铁氧体’的磁芯，作用是使其电感属性得到加强。
多样化的阻抗频率曲线：调整材料配方及产品结构，从而产生不同的阻抗频率曲线，以满足客户使用要求。
精度低：与功率电感器相同，由于铁氧体磁芯的插入以及铁氧体屏蔽罩的加入，使其电感熟悉得到加强、阻抗值得到增加。但是会增加一些新的物理公差包含但不限于：铁氧体磁芯本身尺寸公差、组装位置公差、材料磁导率公差等，使其精度比高频电感难控制。而且其使用场景往往不需要高精度，业内标准精度是±25%。
绕线电感器的线圈是通过缠绕的方式绕在陶瓷或铁氧体芯体上，线圈一般是采用漆包铜线。
叠层电感器的线圈是通过印刷的形式印刷在每一层上，叠层压合在一起，形成内部线圈。
薄膜电感器的线圈是通过蚀刻的形式蚀刻在薄膜（Film）上，再将该线圈贴到陶瓷基座上固定。
电感器的品牌众多，在此列举一些常见的品牌，以及该品牌的优势。（注：仅代表作者本人的个人观点）
- 射频领域的标杆，SAW Filter + RF Inductor的组合，使得大多数射频电路的原始设计都是采用村田品牌。
- 铁氧体材料的王者，从材料开发到电感器制作全封闭式链路，使得TDK的功率电感成为高可靠性和高性能的代表，汽车电子中广泛应用。
- 高频绕线电感的发明者，线艺发明的许多电感设计现都已成为行业标准。由于性价比较低，在中国市场很少见到。
村田是射频领域的标杆，市场上也容易购买，更重要的是价格还很便宜-LQW系列。
国产NR型功率电感的标杆，价格便宜容易购买。为啥不推荐太阳诱电？- 很难买到。
特别注重可靠性的领域选择TDK，其它消费领域可以找个靠谱的小厂，价格便宜交期又好。
随着Vishay专利的过期，国内大厂顺络也开始量产了，性价比高好交货。
电感量通常以字母’L‘标记，以纪念物理学家海因里希·楞次（Heinrich Lenz）。电感的单位是亨利（Henry），标记为’H‘，以纪念科学家约瑟·亨利（Joseph Henry）。
电感量不是一个恒定值，它会随着电路里电压频率的变化而变化，严谨一点来讲，电感量L应该称作’在某一频率的电感量‘更为贴切。
电感器经过电路里电压的频率为0的时候，即通过直流（DC）的时候，不表现出任何电感属性（感抗），仅相当于一根把线圈拉直的导线。电感器的‘通直流、阻交流’作用指的就是这个意思。
电感量L与电感器物理参数的经验公式（功率电感适用，低频范围内较为稳定）：
Tips：如果是同一系列的电感器，由于材料和尺寸是一样的，对电感值起决定因素的就是线圈的匝数n，而且是平方比的关系。
即：H、mH、μH、nH之间的换算关系是10的三次方=1000倍的关系。
需要注意的是，E系列数字小数点可以移位，如：1.0，1.5，3.3，4.7，6.8照样属于E6系列。
即使原厂规格书里面存在的一些特殊电感量（脱离E系列数字的电感量），尽量谨慎选取，以免量产时拿不到货。
E系列最早是在1948到1950年之间提出的bd体育，其扩展版本为国际标准IEC 63（后来改名为IEC 60063）是国际电工委员会（IEC）在1963年所提出，是针对电阻器、电容器、电感元件及齐纳二极管的标准。
E系列（E-series）是电子学中常用的从优数，包括E3、E6、E12、E24、E48、E96及E192等系列。
E系列是将1到100之间的数字分为3段、6段、12段、24段等。分段的目的是确保任意数字都可以找到对应的E系列数字，和其误差在±40%、±20%、±10%、±5%等范围内。
从上图可以看出，E12系列数字刚好可以把相邻两个数字控制在±10%公差范围内。
该系列数字仅是以1~100之间的数字做定义，任意移动小数点的位置照样属于该系列数字。举例：标准E6序列：10，15，22，33，47，68小数点左移E6序列：1.0，1.5，3.3，4.7，6.8小数点右移E6序列：100，150，220，330，470，680
直流电阻（DCR）的期望值是越小越好，然而需要根据尺寸做出相应的妥协（尺寸越小、线径越细、则DCR越大）
直流电阻（DCR）的存在会使电感器在使用时产生相应的损耗，这种损耗会以发热的形式耗散掉，简单的计算方式如下：
DCR是与电感器基于温升的额定电流Irms相关的参数，因为温度上升本身就是功率损耗（Power Loss）所造成的，DCR越大则Irms越小。
电感器的温升额定电流是衡量其额定电流的一种方案，以避免电感器本身温度过高而导致损坏。
电感器的温升额定电流一般标示为Irms，虽然’rms‘的本意并不是指温度上升。
既然Irms是衡量电感器的温度上升的额定电流，那么它会造成电感器温度上升多少呢？或是说电感器本身温度上升多少所对应的电流才是Irms电流呢？
大多数厂商是的定义标准：ΔT=40°C，即电感器温度上升40°C时所通过的电流。
电感器的饱和电流是衡量其额定电流的另一种方案，以避免电感器本身电流过大而导致饱和，从而丧失了电感的能力。
给一个电感器通上电流，其电感量会随着电流的增加而下降，从而逐渐失去电感特性。
大多数厂商是的定义标准：Ldrop=30%，即电感器电感量下降30%时所通过的电流，如下图所示：
Tips：有些时候，规格书上写的饱和电流很大，实际上只是在定义上做了手脚哦，一定要仔细阅读规格书上的定义标准。
前文讲到了电感量会随着电路中电压频率的变化而变化，如果我们不断增加频率，在达到某个频率后，电感器就会突然失去电感属性，即电感量突然大幅下降到0，这个频率点我们就称之为自谐频率（Self-Resonant Frequency），简称S.R.F.
这点也不难理解，想象一下不断增加频率的话，波形会无限接近直流，而电感器本身就是对直流没有电感属性的。
电感器仅在其自谐振频率 (SRF) 范围内充当电感器。在 SRF 处，阻抗变得非常高，电感器可以用作扼流圈来衰减 SRF 附近的信号。
磁珠也是电感器的一种，只是平时电感器不标注阻抗值Z，而磁珠标注阻抗值Z，二者物理结构上没有区别。某些情况下，电感器可以当做磁珠使用。
选型时尽量谨慎，调试完成后如果需要更换成另一个品牌，或同品牌另一个系列、型号，一定要重新测试验证，否则可能造成信号减弱或丢失。
Tips：需要高Q值的应用领域，可以尝试使用村田的LQW系列、顺络的SDWL系列高频绕线型电感。
选型时不需要太谨慎，一般情况下不同品牌之间只要焊盘相同或接近，即可替换。但是本着严谨的态度，更换品牌还是建议先进行验证。
开关模式电源（英语：Switch Mode Power Supply，SMPS）是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压bd体育，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。
优势：与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于效率高（此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比），加之开关晶体管工作于开关状态，损耗较小，发热较低，不需要体积/重量非常大的散热器，因此体积较小、重量较轻。
劣势：开关电源工作时，由于频率较高，会对电网及周围设备造成干扰，因此，必须妥善的处理此问题。
占空比（英语：Duty Ratio，Duty Cycle），是频射、微波电路、低频交流和直流电流等多个领域的一个概念电子元件，表示在一个周期内，工作时间与总时间的比值。
通过一定的时间比例（5:7）让开关进行开合，使12V直流波形转换成如下图所示波形（占空比：5/12）：
当然凡事很难达到完美，从上图波形Ub中可以看出，最终是在5V上下一定范围内进行波动，这个范围叫纹波，如下图所示：
只要将纹波控制得足够小，就可以满足正常的使用了。至此，一个12VDC转换5VDC的开关电源原理图搭建完毕。
IC选型主要根据输出输入电压及开关频率等参数进行选型；本文以MPS的MP2315S为例，进行下面的电感器和电容器选型。
在厂商官网查阅MP2315S的规格书bd体育，上面有详细的阐述如何计算所需的电感量和电流值：
根据MP2315S规格书计算得出电感量范围和需要的饱和电流，就可以进行电感的选型了。
还记得前文‘电感器的材料’章节所讲的内容吗，建议优先选用镍锌铁氧体材质的电感器，因为它的使用频率范围是最宽的。开关频率比较高的话，要特别注意这一点，以避免电感器看似参数选型正确，电路却无法正常工作。
Tips 1：近年来，一体成型电感正在兴起，但是笔者建议选择使用它时一定要结合自己的开关频率，如果频率过高尽量避免使用，因为它的材质所适用的频率范围比镍锌铁氧体要小很多。
