硬件设计 | 电感篇

[导读]注|文末留言有福利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、电容和电阻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...

注 | 文末留言有福利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、电容和电阻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，电感的阻抗与两个因素有关：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。
自谐振频率由于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。
品质因素也就是电感的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：01绕线电感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：圆柱形绕法圆柱形绕法很常见，应用也很广，例如：图片来自Bing平面形绕法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，在电源设计中，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。02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。03薄膜电感薄膜电感采用的是类似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