电感的基本原理，电感如何选择？

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。
　　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。
　　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

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：
　　圆柱形绕法（Round Wound）
　　圆柱形绕法很常见，应用也很广，例如：
　　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）。
　　
　　引自 The Wonders of Electromagnetism
　　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

　　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；
　　
　　图出自 Murata Chip Inductor Catalog
　　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。
　　
　　图出自 Murata Chip Inductor Catalog
　　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。
　　
　　上图截图至 TY-COMPAS
　　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；
　　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。
　　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。
　　磁珠等效电路模型
　　
　　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：
　　多层型
　　多层型通过烧结，形成一个整体结构，或叫独石型（Monolithic）
　　
　　图出自 Murata Chip Inductor Catalog
　　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。
　　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。
　　
　　图出自 Murata Chip Inductor Catalog
　　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。
　　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。
　　
　　图出自 Murata Chip Inductor Catalog
　　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：
　　引自 Why is there a direction mark on inductors？
　　
　　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。