电感-关键特性和参数、选型步骤

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图1.1  不同类型的电感

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1.2、电路符号与单位

电路符号：

图1.2  电感在电路中的符号

单位：亨利（H）；

• 1000pH = 1nH；
• 1000nH = 1uH；
• 1000uH = 1mH；
• 1000mH = 1H；
  

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二、电感的关键特性和参数2.1、储能特性

        常说的电感量L，是电感器最基本的参数，表示其存储磁场能量的能力。

        电感量决定了电感器对交流信号的阻抗，单位通常是亨利（H）；但电源中更常见的是微亨（μH）或 毫亨（mH）。

能量存储：电流流过线圈时，磁场能量存储为
。

W：电感中储存的能量，单位焦耳（J）

L：电感的电感量，单位亨利（H），L越大，代表相同电流下存储的能量越多。

I：流过电感的电流，单位安培（A）

示例：

        计算电感在 DC-DC电源转换器中存储的能量，确保电感不会因储能不足而过热或饱和。

若 L=100 μH，I=5A，则储能：

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2.2、感抗和频率响应2.21  感抗（感性电抗）

        对于交流信号，电感会呈现出一种类似于电阻的性质，称为感抗
，它与交流信号的频率成正比，计算公式为：

f：频率，单位是赫兹（Hz）；

L：电感量，单位是亨利（H）；

        直流信号在稳态条件下几乎不受电感的影响，因为此时感抗趋于零；而对于交流电则表现为高阻抗。这也是我们常说的 通直流阻交流 特性。

总结：

• L 越大或频率 f 越高 → 感抗 XL越大，阻碍交流信号的能力越强。

• 高频滤波：电感量大的电感常用于抑制高频噪声（如 EMI 滤波）。

• 低频导通：低频时感抗小，近似短路（如工频电路中的扼流圈）。

  
  

2.22  频率响应

• 低频：感抗小，近似短路。

• 高频：感抗大，但受分布电容影响，超过自谐振频率（SRF）后变为容性。

  
  

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2.3、饱和电流（Isat）

        带有磁芯的电感，当电流增大到一定程度时，磁场强度不再增加，继续增大电流则器件的电感量将迅速下降，这个电流称为饱和电流（Isat）。所以要是带磁芯的电感正常工作，不能使电流峰值超过饱和电流。不带磁芯的空心电感不存在饱和电流，其磁场随电流增大而增大，电感量不变。

        定义：电感磁芯开始饱和时的电流值，超过此值电感量 L骤降，失去储能能力。

图2.1  电感饱和电流状态

        一般在选择电感时：
；

        也就是说，如果设计电路流过电流峰值为2A，那么选择电感时，饱和电流Isat应该至少满足1.3×2A=2.6A。这样才能确保电感在最大工作电流下不会饱和。

2.4、额定电流（Irms）

• 电感由于有电阻损耗所以会发热，在热量不会损坏电感的情况下，最大允许持续流过的电流。
• 定义：电感在允许温升下可长期承受的有效值电流（与发热相关）。
  

选型规则：

• 避免线圈或磁芯因过热损坏（功率损耗
  ）；

• 确保长期可靠性（高温可能加速老化）。

  
  

        在满足电流需求下尽量选择更低 DCR 的电感（减少损耗）。

温升估算：

与饱和电流的区别：

图2.2  饱和电流与额定电流的区别

所以，在进行电感选型时必须同时满足二者条件：

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2.5、直流电阻（DCR）

        直流电阻（DCR）：指电感线圈在直流条件下的等效电阻，由绕制线圈的导线材料（如铜、铝）和几何结构（长度、截面积）决定，一般绕电感的线越粗则DCR越小。

        单位：欧姆（Ω），通常为毫欧（mΩ）级别。

        直流电阻影响BUCK电路的效率，大的DCR会引起热损，尤其是在重载情况下，对于DCR具体的选择没有特殊要求，基本是越小越好。开关电源中为了提高效率可以采用DCR比较小的电感。

2.51  功耗计算

• Irms：流过电感的有效电流；单位安培（A）。
• DCR：电感直流电阻；单位欧姆（Ω）。
  

示例1：若 IRMS=5A，DCR = 10mΩ，则损耗
。

示例2：

图2.3  电感功耗计算公式

下图为某电感的规格书：

图2.4  功率电感规格书

假设1：在上图中选择1uH电感，输入电流为2A，那么最低功耗为：

假设2：在上图中选择10uH电感，输入电流为2A，那么最低功耗为：

公式反推DCR取值：

公式验证：确保
。

2.52  测量方法

        使用数字万用表的欧姆档直接测量电感两端电阻（需断开电路并确保电感未通电）。

2.53  如何降低DCR的影响
2.54  常见误区：

• 误区：认为“DCR越小越好”。
  纠正：需平衡DCR与电感量、体积、成本。例如，过低的DCR可能需要更大磁芯或更高成本。

• 误区：忽略温升对DCR的影响。
  纠正：高温下导线电阻率升高（铜的电阻温度系数约0.4%/°C），实际DCR可能比标称值高20%~30%。

  
  

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2.6、自感性

        当电流通过电感器时，会在电感器中建立磁场。根据法拉第电磁感应定律，任何变化的磁场都会在其周围的闭合回路中产生电动势（EMF）。这个电动势试图阻止电流的变化，这是电感器自感性的体现。

法拉第电磁感应定律：电流变化时，电感产生反向电动势
。

• V：电感两端的反向电动势（电压），单位是伏特（V）。
• L：电感的自感系数（电感量），单位是亨利（H）。负号表示电动势方向与电流变化方向相反（楞次定律）。
• di/dt：电流随时间的变化率，即电流变化的快慢（单位：安培/秒，A/s）。或称电流上升速率。
  

        当通过电感的电流发生变化时（如增大或减小），电感会通过反向电动势阻碍这种变化，具体表现为：

• 电流增大
  → 反向电动势为负（-V），阻碍电流上升。

• 电流减小
  → 反向电动势为正（+V），延缓电流下降。

  
  

示例：
        若电感 L=1 H，电流在0.01s 内从 0A增加到 2A，则反向电动势为：

        表示电感会产生 200 V 的反向电压阻碍电流增长。

        电感电流不能突变，需通过电压和时间逐步变化。

注意事项：

• 公式适用于线性电感（L 恒定）。

• 实际电感可能存在电阻和磁芯饱和效应，需结合具体模型分析。

• 高频时需考虑分布电容对自谐振频率的影响。

  
  

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2.7、互感性

        如果两个或多个电感线圈彼此靠近，那么一个线圈中的电流变化会在其他线圈中产生感应电动势，这就是互感性。互感是变压器和耦合线圈的基础。

互感应用场景：

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2.8、自谐振频率（SRF）

        电感的自谐振频率（SRF）是电感器在高频工作时的关键参数，它决定了电感有效工作的频率上限。

        电感的分布电容（由线圈匝间、层间及导线与磁芯之间的电容构成）与电感量 L 共同形成一个 LC谐振回路，SRF 是该谐振回路的自然谐振频率。

2.81  SRF 公式

• SRF：自谐振频率（单位：赫兹，Hz）。

• L：电感的标称电感量（单位：亨利，H）。

• Cparasitic：电感的分布电容（单位：法拉，F）。

  
  

        电感量越大 → SRF 越低（因
）；在高频应用中通常选用小电感量（nH 级）以提升 SRF。

2.82  SRF的物理意义

阻抗特性：

• 工作频率 < SRF：电感表现为感性（阻抗 Z ∝ f）；

• 工作频率 = SRF：阻抗达到最大值（纯阻性）；

• 工作频率 > SRF：电感表现为容性（阻抗 Z ∝ 1/f）。

  
  

当工作频率超过SRF时，电感失去储能和滤波能力，可能引发电路振荡、噪声增加或效率下降。

2.83  SRF对电路设计的影响

• 明确电路工作频率及谐波成分；

• 选择SRF远高于工作频率的电感（通常留3倍余量）；

  
  

2.84  常见误区与问题

• 误区1：认为“SRF是固定值”。
  纠正：SRF受电流、温度影响（大电流下磁芯饱和可能降低有效电感量，从而改变SRF）。

• 误区2：忽略实际电路中的分布电容。
  纠正：PCB走线或其他元件的寄生电容会进一步降低系统整体SRF。

  
  

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2.9、品质因数（Q值）

        电感品质因数（Q值）是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。

        Q值是电感高频性能的核心指标，直接决定储能效率和滤波效果。

公式定义：

• ω=2πf：角频率（rad/s）；

• L：电感量（H）；

• Rtotal：总等效串联电阻（Ω）；包括直流电阻（DCR）。

  
  

2.91  Q值对电路的影响
2.92  影响Q值的因素
2.93  如何提升Q值
2.94  Q值的测量

• LCR表：直接测量指定频率下的Q值（需设置测试频率和信号电平）。

• 网络分析仪：通过S参数计算Q值（适合高频场景）。

• Q表：专用仪器，通过谐振法测量（精度高，但设备昂贵）。

  
  

2.95  设计实例

场景：设计一个100 MHz的LC带通滤波器，要求带宽5 MHz。

• 目标Q值：

  
  

选型：选择Q值 > 20的电感（如空心线圈或高频铁氧体电感）。

2.96  常见误区

• 误区1：认为“Q值越高越好”。
  纠正：高Q值可能导致带宽过窄或瞬态响应差，需根据应用平衡（如宽带滤波器需适中Q值）。

• 误区2：忽略频率对Q值的影响。
  纠正：同一电感在不同频率下Q值差异显著，需参考实测曲线。

  
  

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三、电感的选型步骤（实战演练）3.1、明确应用场景

核心问题：电感在电路中起什么作用？

• 电源电路：储能、滤波（如DC-DC转换器）。

• 射频/通信：阻抗匹配、谐振（如天线匹配）。

• EMI抑制：吸收高频噪声（如磁珠）。

• 信号调理：限流、延时（如高速信号线串联电感）。

  
  

3.2、确定关键参数需求

根据场景筛选核心参数优先级：

3.3、计算电感量（L）

以Buck电源为例：

• 参数说明：

  
  

  • Vout：输出电压。

  • D：占空比（D=Vout/Vin）。

  • fsw：开关频率

  • ΔIripple：允许的纹波电流（通常取负载电流的20%~40%）。

    
    

• 示例：
  输入12V → 输出5V/3A，开关频率1MHz，纹波电流0.6A：

  
  

选型：选择标称值接近的标准电感（如4.7μH或5.6μH）。

3.4、验证饱和电流（Isat）

选型规则：

• Ipeak = 负载电流 +（0.5 × 纹波电流）
  

示例：
负载电流3A，纹波0.6A → Ipeak = 3+0.3=3.3A → Isat > 4.3A。
实测验证：用示波器观察电感电流波形，确保无饱和导致的波形塌陷。

3.5、评估损耗与温升

功率损耗公式：

• DCR：数据手册标称值（如20mΩ）。

• 磁芯损耗：高频下需参考厂商提供的损耗曲线（铁氧体损耗远低于铁粉芯）。

  
  

温升估算：

安全范围：表面温度通常需 < 85°C（工业级）或 < 105°C（车规级）。

3.6、高频特性验证3.61  自谐振频率（SRF）

规则：
     f为工作频率

示例：开关频率2MHz → 则选SRF > 6MHz的电感。

3.62  Q值选择：

• 射频匹配需Q > 50，电源滤波可接受Q ≈ 10~30（抑制谐振）。

  
  

测量工具：

• 网络分析仪（测SRF、Q值）。

• LCR表（测电感量、DCR）。

  
  

3.7、封装与成本权衡
3.8、常见错误与避坑指南
3.9、总结

选择电感需五步走：

• 明需求：确定电感在电路中的角色（储能、滤波、谐振）。

• 算参数：计算电感量、峰值电流，初选型号。

• 验极限：检查饱和电流、SRF是否达标。

• 估损耗：计算温升，确保可靠性。

• 测验证：实测关键参数，优化最终选型。