功率电感参数
本文介绍电感和功率电感的相关知识，并介绍功率电感的基本参数，以及电感（功率电感）和磁珠，共模电感的区别。
如下内容：
1、电感和功率电感简介
2、功率电感的参数
3、电感和磁珠的区别
4、功率电感和共模电感的区别
1 电感和功率电感简介
电感(Inductor)是一种由线圈组成的无源电气元件，是用于滤波、定时、电力电子应用的两端元件，属于一种储能元件，可以把电能转换成磁能并储能起来。常用字母“L”表示。
电感是一种相对简单的元件，它由缠绕在线圈中的绝缘线组成。但当单个元件组合在一起，用来创建具有适当尺寸、重量、温度、频率和电压的电感，同时又能满足目标应用时，复杂性就会增加。
1、电感是什么？
电感是一种电路元件，它可以在自身磁场中储存能量。电感通过储存将电能转换为磁能，然后向电路提供能量以调节电流。当电流增加，磁场就会增强。
图 1 展示了电感模型。
图1: 电感的电气模型
电感是采用绝缘线绕成线圈形成的。线圈可以是不同的形状和尺寸，也可以使用不同的芯材缠绕。
电感的大小则取决于匝数、磁芯尺寸和磁导率等多种因素。
图2显示了关键的电感参数。
图2: 电感参数
表 1 显示了如何计算电感 (L)。
表1: 计算电感(L)
2、电感的工作原理？
电感就是将导线绕制成线圈形状，当电流流过时，在线圈（电感）两端就会形成较强的磁场。由于电磁感应的作用，会对电流的变化起阻碍作用。
因此，电感对直流呈现很小的电阻（近似于短路），对交流呈现的阻抗较高，其阻值的大小与所通过交流信号的频率有关。
同一电感元件，通过交流电流的频率越高，呈现的阻值越大。
图3 电感原理
3、电感的两个重要特性
1）电感对直流呈现很小的电阻（近似于短路），对交流呈现的阻抗与信号频率成正比，交流信号频率越高，电感呈现的阻抗越大； 电感的电感量越大，对交流信号的阻抗越大。
2）电感具有阻止电流变化的特性，流过电感的电流不会发生突变，根据电感的特性，在电子产品中常作为滤波线圈、谐振线圈等。
图4 电感的基本工作特性示意图
4、电感的功能及作用
1）电感的滤波功能
LC滤波电路
在电感滤波中，纹波系数与负载电阻成正比，另一方面，在电容滤波中，它与负载电阻成反比，因此如果将电感滤波与电容结合起来，纹波系数将几乎与负载滤波无关。它也被称为电感输入滤波电路、扼流输入滤波电路、RC滤波电路。
在该电路中，扼流圈与负载串联，为交流分量提供高电阻，并允许直流分量流过负载。负载两端的电容并联连接，过滤掉流过扼流圈的任何交流分量。通过这种方式，就可以得到整流，并通过负载提供平滑的直流电。
图5 LC滤波电路示意图
电感滤波电路
这种类型也叫做扼流过滤电路，由插在整流器和负载电阻R之间的电感组成。整流包含交流分量和直流分量。当输出通过电感时，为交流分量提供高电阻，而对直流分量没有电阻。因此整流输出的交流分量被阻断，只有直流分量到达负载。
图6 电感滤波示意图
2）电感的谐振功能
电感通常和电容并联构成LC谐振电路，主要用来阻止一定频率的信号干扰。
天线感应射频信号，经电容Ce耦合到由调谐线圈L1和可变电容CT组成的谐振电路，经L1和CT谐振电路的选频作用，把选出的广播节目载波信号通过L2耦合传送到高频放大器。
图中的黄色圈起来的部分为CT、L1构成的谐振电路进行调谐选台。
3）LC串联、并联谐振电路
LC串联谐振电路
将电感与电容串联，可构成串联谐振电路，如下图所示。
该电路可简单理解为与LC并联电路相反。LC串联电路对谐振频率信号的阻抗几乎为0，阻抗最小，可实现选频功能。电感和电容的参数值不同，可选择的频率也不同。
图7 LC串联谐振电路
LC并联谐振电路
电感与电容并联能起到谐振作用，阻止谐振频率信号输入。电感对交流信号的阻抗随频率的升高而变大。电容的阻抗随频率的升高而变小。
电感和电容并联构成的LC并联谐振电路有一个固有谐振频率，即共谐频率。
在这个频率下，LC并联谐振电路呈现的阻抗最大。利用这种特性可以制成阻波电路，也可制成选频电路。
图8 LC并联谐振电路
5、电感的应用
电感的两个主要应用领域是电力电子和射频电路。电感是各种DC-DC转换电路以及LC调谐振荡的射频电路中必不可少的元器件。下面，我将从这两个方面举个例子。
1）DC-DC转换电路
DC-DC转换电路或者开关稳压器用于几乎所有的电子设备中，因为在直流电压的升压和降压期间具有高效率，下面是用于降低直流电压的降压转化器的简化图。
在实际应用中，在一些DC-DC转换电路中也常用晶体管来代替二极管来进行同步整流。
图9 降压转换电路示意图
2）射频电路
电感用于各种射频电路，包括滤波器、振荡器等。以下图为例，是连接在单级晶体管放大器的集电极和基极之间的 LC 谐振电路。
放大器是必不可少的，因为 LC 电路本身会由于组件的寄生电阻而产生阻尼振荡。 振荡电路中的放大器确保无阻尼振荡。
要选择射频扼流圈，需要选择自谐振频率 (SRF) 接近需要扼流圈的频率的电感。这是因为电感的阻抗在其自谐振频率处最大。
对于LC电路选择电感，自谐振频率要比工作频率高很高，还必须考虑电感的容差，不然会导致频率选择出现不必要的偏移。
图10 振荡电路
6、功率电感
消费类应用是现代 DC/DC 变换器需求的主要驱动力。 在这类应用中，功率电感主要被用于电池供电设备、嵌入式计算，以及高功率、高频率的 DC/DC 变换器。了解电感的电气特性对于设计紧凑型、经济型、高效率、并具备出色散热性能的系统至关重要。
功率电感是指可以通过大电流的电感，应用场合是开关电源，作用是能量的中转站。功率电感目前常见是以下三种形式，分别是组装式、磁封胶和一体成型。
图11
2 电感和功率电感的参数
选择电感时，了解电感数据手册中标明的电气特性非常重要。 本文将结合一款DC/DC Buck 芯片BVP62840的电路， 介绍功率电感（参考台湾佳邦功率电感的规格书）的基本参数。
下面，我们将详细描述常见的功率电感的主要性能参数，主要包括电感L，直流电阻DCR，直流重叠电流（饱和电流）ISAT，温升允许电流（额度电流）IRMS和自整定频率SRF。选择电感要特别考虑直流电阻和饱和电流。
图12：电路应用图
1、纹波电流 (∆IL)
纹波电流 (∆IL) 指一个开关周期内电流的变化量。
电感在其峰值电流范围之外可能无法正常工作。电感的纹波电流通常设计为在 IRMS的 30% 至 40% 范围之内。
∆IL=0.3*IRMS
图 5 所示为电感电流的波形。
图13: 电感电流波形
2、电感值
电感值是电感的标称电感。由于导磁率和分布电容的存在，电感将随频率而变化。电感精度通常为M（±20％）或N（±30％）级。
电感将感应的电能存储为磁能的能力通过电感值来体现。在开关输入电压驱动电感的同时，电感要为输出负载提供恒定的直流电流。
表 2 显示了电流和电感电压之间的关系。 可以看出，电感两端的电压与电流随时间的变化成正比。
表 2：计算电感压降（电感的一个最重要，也是最基本的公式）
电感值是电感的基本参数，也是影响纹波电流和负载响应的一个重要参数。
流过DC-DC转换器中功率电感的电流是三角波电流，如图 13 所示为电感电流的波形。一般来说，可将纹波电流ΔIL设置为负载电流Iout的30%左右。因此，只要决定DC-DC转换器的条件，就能根据以下算式粗略计算适当的功率电感器电感。
1）以下参考BVP62840 规格书对于功率电感的选型建议：
电感值影响峰值纹波电流、PWM-PFM模式转换时间点，输出电压纹波和效率。对于大多数设计，从下式推导出电感值。
其中ΔIL是电感器纹波电流.选择大约为最大负载电流30%的电感电流。电感器的最大峰值电流为:
建议参考以上2个公式为BVP62840的选择合适的电感。
2）其他参考资料公式：
( ILoad=IOUT=IRMS ）
一般来说，在DC-DC转换器的规格书中都推荐了不同电感值作为参考值。因此，即使不进行上述算式之类的计算，也能按照芯片制造商的参考值选定，如果想更换新的电感型号，其参数也不应该与供应商推荐的参考值相差太远。
要注意，电感值在整个工作条件下并不是恒定的， 它会随着频率的增加而变化。因此，对具有更高开关频率的应用，需要特殊考量。电感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的频率下测试电感，因为大多数 DC/DC 变换器都在此范围内工作。
3、电感损耗
当电流流过电感后，电感由于自身DCR导致电感发热，进而电感感量变小，所以电感是一个正反馈器件，温度增加，导致感值减小，如果一直持续将会导致电感饱和。
图14
4、直流阻抗Rdc
直流电阻DCR是指产品的电极之间使用的漆包线的总直流电阻。表示通过直流电时的电阻值。这个参数影响最大最直接的就是发热损耗，所以直流阻抗越小损耗越少。减小Rdc与尺寸小型化等条件略有冲突。只要从上述的满足电感、额定电流等必要特性的电感器当中，选定Rdc更小的产品即可。
为了获得高效率，应尽可能选择直流电阻尽可能低的电感器。
电感的电流电阻会导致散热，从而影响效率。总铜损中包含了 RDC 损耗和RAC 损耗。 RDC 与频率无关，始终恒定；RAC 则取决于频率。
5、饱和电流ISAT，也称直流重叠电流ISAT
饱和电流额定值是指，在标称电感下降规定的百分比之前，电感可以支持的直流电流。
每个电感的参考百分比电感下降值都是唯一的。通常，制造商将该值设置在 20% 到 35% 之间，这会使电感的比较变得很困难。但数据手册通常会提供一条曲线，显示电感如何随直流电流变化。利用这条曲线可以衡量整个电感范围，以及它如何响应直流电流。
直流饱和电流取决于温度和电感磁性材料及其磁芯结构。不同的结构和磁芯都会影响ISAT值。铁氧体磁芯是最常见的，其特点是具有硬饱和曲线（见图 14）。确保电感不会在感量下降点之外工作至关重要；因为超过该点，感量会急剧下降，功能性也会降低。合成塑封电感在温度变化时感量下降稳定，具有软饱和特性。由于其感量逐渐下降，因此可以为设计人员提供了更大的灵活性和更宽的工作范围。
图 15 显示了两条饱和曲线。蓝色曲线为典型的合成塑封电感软饱和示例；红色曲线为典型的 NiZn/MnZn 鼓芯电感硬饱和示例。
图15: 电感饱和电流曲线
小感量（或大封装尺寸）的电感可以处理更高的饱和电流。
饱和电流特性也叫做直流叠加特性，其影响了电感工作时的有效感值，如果选择不合适，电感容易饱和，引起实际感值下降，不能满足设计需求，甚至有可能烧坏电路。饱和电路各家的定义略有不同，通常而言指的是初始电感值减小30%时的电流，例如，一个4.7uH的电感，在1.5A时，电感下降了30%，只有大约3.3uH。如果ISAT不够的话，纹波电流会随着电感值的下降而增加。因为根据上面的公式，在负载电流不变时，L减小了，I自然就会变大。
直流重叠电流ISAT表示电感器的电感将在连续直流电流的条件下减小。通常，当电流下降30％时，根据电流值设置规格。电流增加导致电感感量下降，饱和电流的定义是感量下降30%时所对应的电流。注意，以上定义，每一家电感厂家或许有所差别，请以实际的产品规格书为准。
电感的饱和电流必须高于最大电感电流。这是推荐的，因为在一个重载瞬态电感电流上升超过计算值。
1）佳邦功率电感一般规定电感的饱和电流为电感上流过的电流导致感值下降30%对应的电流。
Isat [A] Saturation Current
Isat means that DC current will cause a 30% inductance reduction from initial value.
2）MPS对于饱和电流的定义：
增加流过电感的电流可以减小电感。MPS电感的饱和电流定义为：在给定饱和电流下，电感降低30％的电流。
6、额定电流 (IDC, IRMS) ，也称温升电流Itemp
电流增加导致电感温度上升，相对于室温（25°C）产生40°C温升时所对应的电流被定义为温升电流。
额定电流是指使电感温度升高规定的量所需的直流电流。温升 (ΔT) 不是一个标准值，但通常在 20K 至 40K 之间。
额定电流在环境温度下测量得到。其值通常在电感数据手册中提供，是最终应用的预期电流值。对于环境温度较高的应用，设计人员应选择自热温度较高的电感。
图 6 体现了温升与额定电流之间的关系。该曲线可用于确定任意温升对应的电流值。
图6: 电感的额定电流曲线
在一个应用中，工作温度 (TOP) 由环境温度 (TAMB) 和电感的自热值 (ΔT)决定。TOP 可以通过公式 (2) 来估算：
TOP=TAMB+ΔTTOP=TAMB+ΔT
给定额定电流是估计电感温升的最佳方法。温升还受电路设计、PCB 布局、与其他组件的接近程度以及走线尺寸和厚度的影响。电感芯体和绕组中产生的过量交流损耗也可能导致额外的热量。
如果需要较低自发热，则需选用封装尺寸较大的电感。
温升电流规定使用电感时的环境温度容许范围的参数。温升电流的定义各家厂商也有区别，一般而言，指的是将电感温度上升了30℃时的电路。温度的影响因电路的工作环境而异，因此要设想实际使用环境后选定。
但要注意：功率电感上的最大电流不能超过额定电流。
1）台湾佳邦规格书则规定温升40度对应的电流为额度电流。
Irms [A] Heat Rating Current
Irms means that DC current will cause part temp. rising 40℃ whichever is smaller.
温升允许容量电流IRMS是指在电感器连续直流电流的条件下，电感器的表面温度将升高的事实。通常，规格是根据电感器升高40℃时的电流值来设定的。
2）MPS定义的额定电流
额定电流为导致线圈温度上升（ΔT）40K的电流。
7、阻抗频率特性
自整定频率SRF意味着由于电感器及其分布电容之间的相互作用，电感器会在一定频率下达到谐振。谐振频率是电感器的自调谐频率，并且功率电感器必须在自调谐频率以下使用。
理想电感的阻抗随着频率增加而增加，然而实际电感由于寄生电容和寄生电阻的存在，在一定频率下呈现感性，超过一定频率呈容性，阻抗反而随着频率的增加而减小，这个频率就是转折频率。
以上就是电感相关的特性参数，在选择电感时务必要仔细评估每个参数。
8、品质因素Q值：
9、结构和尺寸
3 电感和磁珠的区别
1、电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件；
2、电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于EMC对策；
3、磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰，两者都可用于处理EMC、EMI问题；EMI的两个途径，即：辐射和传导，不同的途径采用不同的抑制方法，前者用磁珠，后者用电感；
4、磁珠是用来吸收超高频信号，象一些RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路，中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHZ；
5、电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上，一般地的连接和电源的连接。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。对信号线也采用磁珠。磁珠的大小（确切的说应该是磁珠的特性曲线）取决于需要磁珠吸收的干扰波的频率。磁珠就是阻高频，对直流电阻低，对高频电阻高。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠的datasheet上一般会附有频率和阻抗的特性曲线图。一般以100MHz为标准，比如2012B601，就是指在100MHz的时候磁珠的Impedance为600欧姆。
4 功率电感和共模电感的区别
2
1、功率电感和共模电感的区别
功率电感是单组的，主要有扼流作用。共模是双组的，主要有滤波作用。
共模电感是双线双向，它的两个绕线组分别接在零线和火线上,两个绕线组同进同出,滤除的是共模信号（共模信号: 分别在零线和火线上的两个完全相同的信号 他们都通过偶合和地形成回路。）
共模电感和功率电感中我们说过最多的就是磁环电感，但同一类型的磁环电感并不是同时都属于这两种类型电感，也是要看绕线情况才能划分的。
和上面说过的一样双组绕线的磁环电感是共模电感，单组绕线的是功率电感。
共模电感
功率电感的特点：相对电流大。
功率电感
2、功率电感和共模电感作用
功率电感的作用：
1）阻流作用
2）调谐与选频作用
功率电感应用领域：汽车电子、开关电源、移动通信、相机、电脑等领域内。
共模电感作用：滤波，抗干扰
共模电感应用领域：电脑、电视、通讯设备等领域内。
