第一部分 電感的定義和原理

電感器(Inductor)是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)的元件。電感器的結(jié)構(gòu)類似于變壓器，但只有一個(gè)繞組。電感器具有一定的電感，它只阻礙電流的變化。如果電感器在沒(méi)有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路接通時(shí)它將試圖阻礙電流流過(guò)它；如果電感器在有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路斷開(kāi)時(shí)它將試圖維持電流不變。電感器又稱扼流器、電抗器、動(dòng)態(tài)電抗器。

簡(jiǎn)單的說(shuō)：通直流，阻礙交流。

1、電感的作用

通直流阻交流這是簡(jiǎn)單的說(shuō)法，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行隔離,濾波或與電容器,電阻器等組成諧振電路。

調(diào)諧與選頻電感的作用：電感線圈與電容器并聯(lián)可組成LC調(diào)諧電路。即電路的固有振蕩頻率f0與非交流信號(hào)的頻率f相等，則回路的感抗與容抗也相等，于是電磁能量就在電感、電容之間來(lái)回振蕩，這就是LC回路的諧振現(xiàn)象。諧振時(shí)由于電路的感抗與容抗等值又反向，因此回路總電流的感抗最小，電流量最大（指f=f0的交流信號(hào)），所以LC諧振電路具有選擇頻率的作用，能將某一頻率f的交流信號(hào)選擇出來(lái)。

磁環(huán)電感的作用：磁環(huán)與連接電纜構(gòu)成一個(gè)電感器(電纜中的導(dǎo)線在磁環(huán)上繞幾圈作為電感線圈)，它是電子電路中常用的抗干擾元件，對(duì)于高頻噪聲有很好的屏蔽作用，故被稱為吸收磁環(huán)，由于通常使用鐵氧體材料制成，所以又稱鐵氧體磁環(huán)(簡(jiǎn)稱磁環(huán))。在圖中，上面為一體式磁環(huán)，下面為帶安裝夾的磁環(huán)。磁環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特牲。一般在低頻時(shí)阻抗很小，當(dāng)信號(hào)頻率升高后磁環(huán)的阻抗急劇變大?？梢?jiàn)電感的作用如此之大，大家都知道，信號(hào)頻率越高，越容易輻射出去，而一般的信號(hào)線都是沒(méi)有屏蔽層的，這些信號(hào)線就成了很好的天線，接收周圍環(huán)境中各種雜亂的高頻信號(hào)，而這些信號(hào)疊加在原來(lái)傳輸?shù)男盘?hào)上，甚至?xí)淖冊(cè)瓉?lái)傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)，嚴(yán)重干擾電子設(shè)備的正常工作，因此降低電子設(shè)備的電磁干擾(EM)已經(jīng)是必須考慮的問(wèn)題。在磁環(huán)作用下，即使正常有用的信號(hào)順利地通過(guò)，又能很好地抑制高頻于擾信號(hào)，而且成本低廉。

電感的作用還有篩選信號(hào)、過(guò)濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等重要的作用。

我們通常所說(shuō)的電感指的是電感器件，它是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線,沙包線等)繞制而成的電磁感應(yīng)元件。

在電路中，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的大小除以電流的大小就是電感。

電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量。給一個(gè)線圈通入電流，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈就有磁通量通過(guò)。通入線圈的電源越大，磁場(chǎng)就越強(qiáng)，通過(guò)線圈的磁通量就越大。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)線圈的磁通量和通入的電流是成正比的，它們的比值叫做自感系數(shù)，也叫做電感。

2、電感的分類:

按電感形式 分類：固定電感、可變電感。

按導(dǎo)磁體性質(zhì)分類：空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。

按工作性質(zhì) 分類：天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏轉(zhuǎn)線圈。

電感按電感的作用可分為振蕩電感,校正電感,顯像管偏轉(zhuǎn)電感,阻流電感,濾波電感,隔離電感,被償電感等.

振蕩電感又分為電視機(jī)行振蕩線圈,東西枕形校正線圈等.

顯像管偏轉(zhuǎn)電感分為行偏轉(zhuǎn)線圈和場(chǎng)偏轉(zhuǎn)線圈.

阻流電感(也稱阻流圈)分為高頻阻流圈,低頻阻流圈,電子鎮(zhèn)流器用阻流圈,電視機(jī)行頻阻流圈和電視機(jī)場(chǎng)頻阻流圈等.

濾波電感分為電源(工頻)濾波電感和高頻濾波電感等.

按繞線結(jié)構(gòu) 分類：?jiǎn)螌泳€圈、多層線圈、蜂房式線圈。

按工作頻率 分類：高頻電感,中頻電感和低頻電感.

空心電感,磁心電感和銅心電感一般為中頻或高頻電感,而鐵心電感多數(shù)為低頻電感.

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 分類：磁芯線圈、可變電感線圈、色碼電感線圈、無(wú)磁芯線圈等。

電感按其結(jié)構(gòu)的不同可分為線繞式電感和非線繞式電感(多層片狀,印刷電感等),還可分為固定式電感和可調(diào)式電感.

固定式電感又分為空心電子表感器,磁心電感,鐵心電感等,根據(jù)其結(jié)構(gòu)外形和引腳方式還可分為立式同向引腳電感,臥式軸向引腳電感,大中型電感,小巧玲瓏型電感和片狀電感等.

可調(diào)式電感又分為磁心可調(diào)電感,銅心可調(diào)電感,滑動(dòng)接點(diǎn)可調(diào)電感,串聯(lián)互感可調(diào)電感和多抽頭可調(diào)電感.

3、電感的符號(hào)

電感方向性：無(wú)方向

電感在電路中的基本作用：濾波、振蕩、延遲、陷波等,形象說(shuō)法：“通直流，阻交流”

在電子線路中，電感線圈對(duì)交流有限流作用，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等；變壓器可以進(jìn)行交流耦合、變壓、變流和阻抗變換等。

由感抗XL=2πfL 知,電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。該電感器兩端電壓的大小與電感L成正比，還與電流變化速度△i/△t成正比，這關(guān)系也可用下式表示：,即U=LdI/dt只要電感L足夠大，即使整流輸出電壓低到為0，電感中仍有正向電流，并使負(fù)載上保持一定的正向電壓。

電感線圈也是一個(gè)儲(chǔ)能元件，它以磁的形式儲(chǔ)存電能，儲(chǔ)存的電能大小可用下式表示：WL=1/2 Li2 。可見(jiàn)，線圈電感量越大，流過(guò)越大，儲(chǔ)存的電能也就越多。

檢查電感好壞方法：用電感測(cè)量?jī)x測(cè)量其電感量；用萬(wàn)用表測(cè)量其通斷，理想的電感電阻很小，近乎為零。

4、電感的材質(zhì)及工藝

電感器一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁心等組成。

1）骨架：泛指繞制線圈的支架。通常是采用塑料、膠木、陶瓷制成，根據(jù)實(shí)際需要可以制成不同的形狀。小型電感器一般不使用骨架，而是直接將漆包線繞在磁心上?？招碾姼衅鞑挥么判?、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上繞好后再 脫去模具，并將線圈各圈之間拉開(kāi)一定距離。

2）繞組：指具有規(guī)定功能的一組線圈，有單層和多層之分。單層有密繞和間繞兩種形式；多層有分層平繞、亂繞、蜂 房式繞法等多種。

3）磁心：一般采用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多種形狀。

鐵心：主要有硅鋼片、坡莫合金等，其外形多為“E”型。

4）屏蔽罩：用于為避免有些電感器在工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響其它電路及元器件正常工作。采用屏蔽罩的電感器，會(huì)增加線圈的損耗，使Q值降低。

5）封裝材料：有些電感器（如色碼電感器、色環(huán)電感器等）繞制好后，用封裝材料將線圈和磁心等密封起來(lái)。封裝材料采用塑料或環(huán)氧樹(shù)脂等。

第二部分 電感選用規(guī)范

1 電感器選用基本原則

1.1 電感器基本規(guī)格參數(shù)

電感為磁性元件，自然有磁飽和的問(wèn)題。有的應(yīng)用允許電感飽和，有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開(kāi)始進(jìn)入飽和， 也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和，這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分。大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)”，此時(shí)電感值為一常數(shù)，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，即電感的繞線將導(dǎo)致兩個(gè)分布參數(shù)(或寄生參數(shù))，一個(gè)是不可避免的繞線電阻，另一個(gè)是與繞制工藝、材料有關(guān)的分布式雜散電容。雜散電容在低頻時(shí)影響不大，但隨頻率的提高而漸顯出來(lái)，當(dāng)頻率高到某個(gè)值以上時(shí)，電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容“集中”為一個(gè)電容， 則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性。

電感的主要特性參數(shù)

1）電感量：也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個(gè)物理量。

電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)、繞制方式、有無(wú)磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無(wú)磁心的線圈電感量大；磁心導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

應(yīng)用的工作頻率越高電感的尺寸可以越小

同樣的阻抗值，頻率越高，感值越小

感值小，圈數(shù)可減小，電感的尺寸就可以做小

感值小，材質(zhì)的導(dǎo)磁率亦不用太高

（材質(zhì)的導(dǎo)磁率越高，越不適合在高頻工作）

2）允許偏差：指電感上標(biāo)稱的電感量與實(shí)際電感的允許誤差值。一般用于振蕩或?yàn)V波等電路中的電感要求精度較高， 允許偏差為±0.2%~±0.5%；而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高；允許偏差為±10%~15%。

3）固有頻率：電感的等效電路實(shí)際上是電感與電容的并聯(lián)諧振電路，其震蕩頻率

f0= 即是固有頻率。

也定義為感抗和容抗相等時(shí)對(duì)應(yīng)的自諧振頻率。使用電感線圈時(shí)，為保障線圈的電感量穩(wěn)定，應(yīng)使線 圈的工作頻率遠(yuǎn)低于固有頻率。

4）分布電容：指線圈的匝與匝之間、線圈與磁心之間存在的電容。電感的分布電容越小，其穩(wěn)定性越好。

減小分布電容的方法：

1)如果磁性是導(dǎo)體，用介電常數(shù)低的材料

2)起始端與終止端遠(yuǎn)離（夾角>40°）

3)盡量單層繞制，并增加匝間距離

4)多層繞制時(shí)，采用漸進(jìn)方式繞，避免來(lái)回繞制

5）直流電阻Rdc：指直流狀態(tài)下測(cè)量器件的電阻值為直流電阻，表征器件內(nèi)部線圈的質(zhì)量狀況。

6）阻抗Z：表征的是給定頻率下元件對(duì)流經(jīng)其本身的交流電流的總抵抗能力。

7）品質(zhì)因數(shù)：也稱Q值，是衡量電感質(zhì)量的主要參數(shù)。它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。

電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。在實(shí)際當(dāng)中，Q不僅只與線圈的 直流電阻有關(guān)，還包括線圈骨架的介質(zhì)損耗，鐵芯和屏蔽的損耗以及在高頻條件下工作時(shí)的趨膚效應(yīng)等因素有關(guān)，提高線圈的Q值，并不是一件很容易的事情。

實(shí)際電感的應(yīng)用選擇必須同時(shí)兼顧較小的電感量波動(dòng)與較高的Q值。

8）額定電流Ir：指電感正常工作時(shí)反允許通過(guò)的最大電流。若工作電流超過(guò)額定電流，則電感器就會(huì)因發(fā)熱而使性能參數(shù)發(fā)生改變，甚至還會(huì)因過(guò)流而燒毀。

功率電感器的額定電流有兩種：

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，電感器是僅次于IC的核心元件。通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)碾姼衅?，能夠獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。在選擇電感器時(shí)所使用的主要參數(shù)有電感值、額定電流、交流電阻、直流電阻等，在這些參數(shù)中還包括功率電感器特有的概念。例如，功率電感器的額定電流有兩種，它們之間的差異是什么呢？

為了回答這樣的疑問(wèn)，我們?cè)谶@里對(duì)功率電感器的額定電流進(jìn)行說(shuō)明。

存在兩種額定電流的原因

功率電感器的額定電流有"基于自我溫度上升的額定電流"和"基于電感值的變化率的額定電流"兩種決定方法，分別具有重要的意義。"基于自我溫度上升的額定電流"是以元件的發(fā)熱量為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超出該范圍使用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致元件破損及組件故障。

與此同時(shí)，"基于電感值的變化率的額定電流"是以電感值的下降程度為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超出該范圍使用時(shí)可能會(huì)由于紋波電流的增加而導(dǎo)致IC控制不穩(wěn)定。此外，根據(jù)電感器的磁路構(gòu)造的不同，磁飽和的傾向（即電感值的下降傾向）有所不同。圖1是表示不同磁路構(gòu)造所導(dǎo)致的電感值的變化的示意圖。對(duì)于開(kāi)磁路類型，隨著直流電流的增加，到規(guī)定電流值為止呈現(xiàn)比較平坦的電感值，但以規(guī)定電流值為境界電感值急劇下降。相反，閉磁路類型隨著直流電流的增加，透磁率的數(shù)值逐漸減少，因此電感值緩慢下降。

功率電感規(guī)格書中對(duì)額定電流參數(shù)僅注明介質(zhì)的飽和電流Isat值。

小常識(shí)：Isat與rms的區(qū)別

Isat與Irms是我們工程人員常常會(huì)碰到的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，但因有些客戶的問(wèn)題，時(shí)常將兩者混淆，造成工程技術(shù)上的錯(cuò)誤。Isat與Irms兩者分別表示什么，中文又是指什么? Isat與Irms兩者如何定義，它們與那些因素有關(guān)?我們?cè)陔姼性O(shè)計(jì)時(shí)，如何定義?

Isat：指磁介質(zhì)的飽和電流，在下圖B-H曲線中，是指磁介質(zhì)達(dá)到Bm對(duì)應(yīng)的Hm所需的DC電流量的大小，對(duì)于電感，即電感下降到一定比例后的電流大小，如SRI1207-4R7M產(chǎn)品，電感下跌20%的電流為8.4A，則Isat=8.4A。Isat計(jì)算公式如下：

設(shè)截面積為S、長(zhǎng)為l，磁導(dǎo)率為μ的鐵環(huán)上，繞以緊密的線圈N匝，線圈中通過(guò)的電流為I。則依磁路定律:

Hl/0.4π=NI=0.7958Hl

對(duì)于同一材質(zhì)及呎吋的鐵芯Hl依B-H曲線進(jìn)行變化，但在同一斜率下，Hl是不變的，因此:

N1*I1=Hl/0.4π=N2*I2

即:

N1/N2=I2/I1

Irms：指電感產(chǎn)品的應(yīng)用額定電流，也稱為溫升電流，即產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，表面達(dá)到一定溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的DC電流。

以下是以2520系列中的4.7uH疊層功率電感為例對(duì)比說(shuō)明業(yè)界目前對(duì)電感器額定電流Irat、飽和電流Isat以及溫升電流Irms標(biāo)識(shí)狀況。

疊層功率電感（鐵氧體大電流電感）參數(shù)比對(duì)表

現(xiàn)狀會(huì)誤導(dǎo)工程師選型，產(chǎn)生隱患；

1.2 電感器選用注意事項(xiàng)

目前有相當(dāng)部分疊層功率電感生產(chǎn)廠家對(duì)其產(chǎn)品額定電流規(guī)格都是沿用傳統(tǒng)信號(hào)濾波處理用疊層電感額定電流標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義，其根據(jù)電感的溫升電流值來(lái)定義其額定工作電流。這種情況下產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師往往會(huì)按照傳統(tǒng)功率電感選型經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)供應(yīng)商電感規(guī)格書上定義的額定電流值來(lái)衡量其實(shí)際電路中的額定工作電流，這樣一來(lái)很可能會(huì)導(dǎo)致因電感飽和電流低于電路的實(shí)際工作電流，會(huì)存在如下隱患：

A). 電感實(shí)際工作時(shí)因電流過(guò)大導(dǎo)致飽和，引起電感量下降幅度過(guò)大造成電流紋波超出后級(jí)電路最大允許規(guī)格范圍造成電路干擾，從而無(wú)法正常工作甚至損壞；

B).電路中實(shí)際工作電流超過(guò)電感的飽和電流有可能會(huì)因電感飽和電感量下降產(chǎn)生機(jī)械或電子噪音；

C).電路中實(shí)際工作電流超過(guò)電感的飽和電流會(huì)導(dǎo)致因電感飽和，其電感量下降引起電源帶負(fù)載時(shí)輸出電壓&電流不穩(wěn)定，造成其它單元電路系統(tǒng)死機(jī)等不穩(wěn)定異常情形;

D).電感額定電流（包括飽和和溫升電流）選擇余量不足會(huì)導(dǎo)致其工作時(shí)表面溫度過(guò)高、整機(jī)效率降低、加速電感本身或整機(jī)老化使其壽命縮短。

2、電感失效分析

電感器失效模式：電感量和其他性能的超差、開(kāi)路、短路

模壓繞線片式電感失效機(jī)理：

1.磁芯在加工過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力較大，未得到釋放

2.磁芯內(nèi)有雜質(zhì)或空洞磁芯材料本身不均勻，影響磁芯的磁場(chǎng)狀況，使磁芯的磁導(dǎo)率發(fā)生了偏差；

3.由于燒結(jié)后產(chǎn)生的燒結(jié)裂紋；

4.銅線與銅帶浸焊連接時(shí)，線圈部分濺到錫液，融化了漆包線的絕緣層，造成短路；

5.銅線纖細(xì)，在與銅帶連接時(shí)，造成假焊，開(kāi)路失效

1、耐焊性

低頻片感經(jīng)回流焊后感量上升 < 20％

由于回流焊的溫度超過(guò)了低頻片感材料的居里溫度，出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。片感退磁后，片感材料的磁導(dǎo)率恢復(fù)到最大值，感量上升。一般要求的控制范圍是片感耐焊接熱后，感量上升幅度小于20%。

耐焊性可能造成的問(wèn)題是有時(shí)小批量手工焊時(shí)，電路性能全部合格（此時(shí)片感未整體加熱，感量上升小）。但大批量貼片時(shí)，發(fā)現(xiàn)有部分電路性能下降。這可能是由于過(guò)回流焊后，片感感量會(huì)上升，影響了線路的性能。在對(duì)片感感量精度要求較嚴(yán)格的地方（如信號(hào)接收發(fā)射電路），應(yīng)加大對(duì)片感耐焊性的關(guān)注。

檢測(cè)方法：先測(cè)量片感在常溫時(shí)的感量值，再將片感浸入熔化的焊錫罐里10秒鐘左右，取出。待片感徹底冷卻后，測(cè)量片感新的感量值。感量增大的百分比既為該片感的耐焊性大小

2、可焊性

電鍍簡(jiǎn)介

當(dāng)達(dá)到回流焊的溫度時(shí)，金屬銀（Ag）會(huì)跟金屬錫（Sn）反應(yīng)形成共熔物，因此不能在片感的銀端頭上直接鍍錫。而是在銀端頭上先鍍鎳（2ｕm 左右） ，形成隔絕層，然后再鍍錫（4－8ｕm ）。

可焊性檢測(cè)

將待檢測(cè)的片感的端頭用酒精清洗干凈，將片感在熔化的焊錫罐中浸入4秒鐘左右，取出。如果片感端頭的焊錫覆蓋率達(dá)到90％以上，則可焊性合格。

可焊性不良

1）端頭氧化：當(dāng)片感受高溫、潮濕、化學(xué)品、氧化性氣體（SO2、NO2等）的影響， 或保存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成片感端頭上的金屬Sn氧化成SnO2，片感端頭變暗。由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物，導(dǎo)致片感可焊性下降。片感產(chǎn)品保質(zhì)期：半年。如果片感端頭被污染，比如油性物質(zhì)，溶劑等，也會(huì)造成可焊性下降

2）鍍鎳層太薄，吃銀：如果鍍鎳時(shí)，鎳層太薄不能起隔離作用?；亓骱笗r(shí)，片感端頭上的Sn和自身的Ag首先反應(yīng)，而影響了片感端頭上的Sn和焊盤上的焊膏共熔，造成吃銀現(xiàn)象，片感的可焊性下降。

判斷方法：將片感浸入熔化的焊錫罐中幾秒鐘，取出。如發(fā)現(xiàn)端頭出現(xiàn)坑洼情況，甚至出現(xiàn)瓷體外露，則可判斷是出現(xiàn)吃銀現(xiàn)象的。

3、焊接不良

內(nèi)應(yīng)力

如果片感在制作過(guò)程中產(chǎn)生了較大的內(nèi)部應(yīng)力，且未采取措施消除應(yīng)力，在回流焊過(guò)程中，貼好的片感會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力的影響產(chǎn)生立片，俗稱立碑效應(yīng)。

判斷片感是否存在較大的內(nèi)應(yīng)力，可采取一個(gè)較簡(jiǎn)便的方法：

取幾百只的片感，放入一般的烤箱或低溫爐中，升溫至230℃左右，保溫，觀察爐內(nèi)情況。如聽(tīng)見(jiàn)噼噼叭叭的響聲，甚至有片子跳起來(lái)的聲音，說(shuō)明產(chǎn)品有較大的內(nèi)應(yīng)力。

元件變形

如果片感產(chǎn)品有彎曲變形，焊接時(shí)會(huì)有放大效應(yīng)。

焊接不良、虛焊

焊接正常

焊盤設(shè)計(jì)不當(dāng)

a.焊盤兩端應(yīng)對(duì)稱設(shè)計(jì)，避免大小不一，否則兩端的熔融時(shí)間和潤(rùn)濕力會(huì)不同

b.焊合的長(zhǎng)度在0.3mm以上（即片感的金屬端頭和焊盤的重合長(zhǎng)度）

c.焊盤余地的長(zhǎng)度盡量小，一般不超過(guò)0.5mm。

d.焊盤的本身寬度不宜太寬，其合理寬度和MLCI寬度相比，不宜超過(guò)0.25mm

貼片不良

當(dāng)貼片時(shí)，由于焊墊的不平或焊膏的滑動(dòng)，造成片感偏移了θ角。由于焊墊熔融時(shí)產(chǎn)生的潤(rùn)濕力，可能形成以上三種情況，其中自行歸正為主，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)拉的更斜，或者單點(diǎn)拉正的情況，片感被拉到一個(gè)焊盤上，甚至被拉起來(lái)，斜立或直立（立碑現(xiàn)象）。目前帶θ角偏移視覺(jué)檢測(cè)的貼片機(jī)可減少此類失效的發(fā)生

焊接溫度

回流焊機(jī)的焊接溫度曲線須根據(jù)焊料的要求設(shè)定，應(yīng)該盡量保證片感兩端的焊料同時(shí)熔融，以避免兩端產(chǎn)生潤(rùn)濕力的時(shí)間不同，導(dǎo)致片感在焊接過(guò)程中出現(xiàn)移位。如出現(xiàn)焊接不良，可先確認(rèn)一下，回流焊機(jī)溫度是否出現(xiàn)異常，或者焊料有所變更。

電感在急冷、急熱或局部加熱的情況下易破損，因此焊接時(shí)應(yīng)特別注意焊接溫度的控制，同時(shí)盡可能縮短焊接接觸時(shí)間

回流焊推薦溫度曲線

手工焊推薦溫度曲線

4、上機(jī)開(kāi)路

虛焊、焊接接觸不良

從線路板上取下片感測(cè)試，片感性能是否正常

電流燒穿

如選取的片感，磁珠的額定電流較小，或電路中存在大的沖擊電流會(huì)造成電流燒穿，片感或磁珠 失效，導(dǎo)致電路開(kāi)路。從線路板上取下片感測(cè)試，片感失效，有時(shí)有燒壞的痕跡。如果出現(xiàn)電流燒穿，失效的產(chǎn)品數(shù)量會(huì)較多，同批次中失效產(chǎn)品一般達(dá)到百分級(jí)以上。

焊接開(kāi)路

回流焊時(shí)急冷急熱，使片感內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致有極少部分的內(nèi)部存在開(kāi)路隱患的片感的缺陷變大，造成片感開(kāi)路。從線路板上取下片感測(cè)試，片感失效。如果出現(xiàn)焊接開(kāi)路，失效的產(chǎn)品數(shù)量一般較少，同批次中失效產(chǎn)品一般小于千分級(jí)。

5、磁體破損

磁體強(qiáng)度

片感燒結(jié)不好或其它原因，造成瓷體強(qiáng)度不夠，脆性大，在貼片時(shí)，或產(chǎn)品受外力沖擊造成瓷體破損

附著力

如果片感端頭銀層的附著力差，回流焊時(shí)，片感急冷急熱，熱脹冷縮產(chǎn)生應(yīng)力，以及瓷體受外力沖擊，均有可能會(huì)造成片感端頭和瓷體分離、脫落；或者焊盤太大，回流焊時(shí)，焊膏熔融和端頭反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的潤(rùn)濕力大于端頭附著力，造成端頭破壞。

片感過(guò)燒或生燒，或者制造過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋?；亓骱笗r(shí)急冷急熱，使片感內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，出現(xiàn)晶裂，或微裂紋擴(kuò)大，造成瓷體破損

2、電感選型范例：

我們需要重點(diǎn)考慮的電感的參數(shù)：

1、等效電阻：影響效率

2、電感值：影響紋波電流

計(jì)算出正確的電感值對(duì)選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。

從下圖可以看出，流過(guò)開(kāi)關(guān)電源電感器的電流由交流和直流兩種分量組成，因?yàn)榻涣鞣至烤哂休^高的頻率，所以它會(huì)通過(guò)輸出電容流入地，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出紋波電壓dv=di×RESR。這個(gè)紋波電壓應(yīng)盡可能低，以免影響電源系統(tǒng)的正常操作，一般要求峰峰值為10mV~500mV。

紋波電流的大小同樣會(huì)影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設(shè)定為最大輸出電流的10%~30%，因此對(duì)降壓型電源來(lái)說(shuō)，流過(guò)電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。

在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，電感上電流的變化。

在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，電感的歐姆定律應(yīng)用，計(jì)算：

輸出的電流紋波，與電感值成反比，與開(kāi)關(guān)頻率成反比。

由上面公式可知，電感的感值越大，輸出紋波電流就越小。但帶來(lái)問(wèn)題是動(dòng)態(tài)響應(yīng)（response time）變慢。如果電感感值較小，如果想輸出電壓的紋波也小，就需要提高開(kāi)關(guān)頻率，這樣MOS管上的開(kāi)關(guān)損耗就增加，電路效率下降。

第四部分 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

BUCK型開(kāi)關(guān)電源規(guī)格需求：5V0~24V0→1V~5V0 輸出電流：2A

電源控制器備選型號(hào)：MP4420A（A表示：CCM模式，H表示：輕載降頻模式）

PIN2PIN兼容：MPQ4420A-DJ（工業(yè)級(jí)），MPQ4420A-DJ-A（汽車級(jí)）

廠家：MPS

電源輸出：3.3V

電源范圍要求：5%

電源紋波要求：2% 0.066V

開(kāi)關(guān)頻率：410kHz（320~500kHz）

占空比：12V轉(zhuǎn)3V3: 27.5%

我們選定10uH電感之后，即確定了紋波電流：

紋波電流 = （12V-3.3V）*0.275/（0.00001*320000）=0.75A

我們選定的陶瓷電容的ESR：

含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。它們和ESR 之間的關(guān)系密切，可以用下面的式子表示：Urms = Irms × R 式中，Urms 表示紋波電壓 Irms 表示紋波電流 R 表示電容的 ESR。

由上可見(jiàn)，當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候，即使在 ESR 保持不變的情況下，漣波電壓也會(huì)成倍提高。換言之，當(dāng)紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后，由于電容內(nèi)部的等效串連電阻（ESR）引起發(fā)熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的，紋波電流與頻率成正比，因此低頻時(shí)紋波電流也比較低。

所以，對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn)，因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì)引起開(kāi)關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。板卡設(shè)計(jì)中，這里一般有一個(gè)參考值，此作為元件選用參數(shù)，避免消振電路而導(dǎo)致成本的增加。

我們把ESR設(shè)置為1歐姆：

我們把ESR設(shè)置為10mΩ：

幅度明顯減小

如果我們用2個(gè)1Ω，100uF的電容，則會(huì)發(fā)現(xiàn)紋波電壓進(jìn)一步減小。一方面是電容在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)的阻抗通過(guò)并聯(lián)進(jìn)一步減小，另一方面，ESR其實(shí)也是等效于并聯(lián)。本質(zhì)是ESR與電容串聯(lián)后并聯(lián)，導(dǎo)致輸出電容在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)上的阻抗明顯減小。

ESR、電容的串并聯(lián)公式等同于電阻的串并聯(lián)公式。

根據(jù)陶瓷電容的datasheet

在410kHz附近，其ESR大約是2mΩ

所以紋波電壓=0.75A*2mΩ=1.5mV

遠(yuǎn)小于66mV的紋波要求。

所以其實(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到電感值的精度范圍、溫度漂移。所以，根據(jù)我們的成本、PCB空間的要求，還可以適當(dāng)減小我們電感值的大小。但是，減小時(shí)，還需要考慮電感值最差的情況，對(duì)紋波進(jìn)行評(píng)估。

第五部分 電感降額

電感元件的熱點(diǎn)溫度額定值與線圈線組的絕緣性能、工作電流、瞬態(tài)初始電流及介質(zhì)耐壓有關(guān)。

注：

1） THS 為額定熱點(diǎn)溫度。
2）只適用于扼流圈。

按照我們的設(shè)計(jì)需求，如果我們的瞬態(tài)電流為2A，則需要額定電流為2A/0.9=2.22A，我們需要選擇額定電流在2.5A~3A的電感作為輸出。Isat和Irms選擇小的那個(gè)作為額定電流。

第六部分 電感選型

我們選擇Irms和Isat都大于2.5A的，DCR相對(duì)小一點(diǎn)的10uH電感，最后考慮成本和體積。

共模電感（扼流圈）選型

1 共模電感原理

在介紹共模電感之前先介紹扼流圈，扼流圈是一種用來(lái)減弱電路里面高頻電流的低阻抗線圈。為了提高其電感扼流圈通常有一軟磁材料制的核心。共模扼流圈有多個(gè)同樣的線圈，電流在這些線圈里反向流，因此在扼流圈的芯里磁場(chǎng)抵消。共模扼流圈常被用來(lái)壓抑干擾輻射，因?yàn)檫@樣的干擾電流在不同的線圈里反向，提高系統(tǒng)的EMC。對(duì)于這樣的電流共模扼流圈的電感非常高。共模電感的電路圖如圖1所示。

共模信號(hào)和差模信號(hào)只是一個(gè)相對(duì)量，共模信號(hào)又稱共模噪聲或者稱對(duì)地噪聲，指兩根線分別對(duì)地的噪聲，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的輸入濾波器而言，是零線和火線分別對(duì)大地的電信號(hào)。雖然零線和火線都沒(méi)有直接和大地相連，但是零線和火線可以分別通過(guò)電路板上的寄生電容或者雜散電容又或者寄生電感等來(lái)和大地相連。差模信號(hào)是指兩根線直接的信號(hào)差值也可以稱之為電視差。

假設(shè)有兩個(gè)信號(hào)V1、V2

共模信號(hào)就為（V1+V2）/2

差模信號(hào)就為：對(duì)于V1 （V1-V2）/2；對(duì)于V2 -（V1-V2）/2

共模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相同的信號(hào)。

差模信號(hào)特點(diǎn)：幅度相等、相位相反的信號(hào)。

如圖2所示為差模信號(hào)和共模信號(hào)的示意圖。

圖2差模信號(hào)和共模信號(hào)示意圖

2 差模噪聲和共模噪聲主要來(lái)源

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源而言，如果整流橋后的儲(chǔ)能濾波大電容為理想電容，即等效串聯(lián)電阻為零（忽略所有電容寄生參數(shù)），則輸入到電源的所有可能的差模噪聲源都會(huì)被該電容完全旁路或解耦，可是大容量電容的等效串聯(lián)電阻并非為零。因此，輸入電容的等效串聯(lián)電阻是從差模噪聲發(fā)生器看進(jìn)去的阻抗Zdm的主要部分。輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流外，還要提供開(kāi)關(guān)管所需的高頻脈沖電流，但無(wú)論如何，電流流經(jīng)電阻必然產(chǎn)生壓降，如電容的等效串聯(lián)電阻，所以輸入濾波電容兩端會(huì)出現(xiàn)高頻電壓紋波，高頻高壓紋波就是來(lái)自于差模電流。它基本上是一個(gè)電壓源（由等效串聯(lián)電阻導(dǎo)致的）。理論上，整流橋?qū)〞r(shí)，該高頻紋波噪聲應(yīng)該僅出現(xiàn)在整流橋輸入側(cè)。事實(shí)上，整流橋關(guān)斷時(shí)，噪聲會(huì)通過(guò)整流橋二極管的寄生電容泄露。

高頻電流流入機(jī)殼有許多偶然的路徑。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源中的主開(kāi)關(guān)管的漏極高低跳變時(shí)，電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管與散熱器之間的寄生電容（散熱器連接至外殼或者散熱器就是外殼）。在交流電網(wǎng)電流保持整流橋?qū)〞r(shí)，注入機(jī)殼的噪聲遭遇幾乎相等的阻抗，因此等量流入零線和火線。因此，這是純共模噪聲。

3 共模電感如何抑制共模信號(hào)

目前已經(jīng)知道共模信號(hào)是兩個(gè)幅度相等、相位相同的信號(hào)，共模信號(hào)一般來(lái)自電網(wǎng)，共模信號(hào)會(huì)影響電路板的正常工作，也會(huì)以電磁波的形式干擾周圍環(huán)境。

既然是用電感來(lái)抑制共模信號(hào)，那么這肯定和磁場(chǎng)相關(guān)。先來(lái)介紹通電螺線感，產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向（對(duì)于項(xiàng)目應(yīng)用而言，有些場(chǎng)合比如抑制共模信號(hào)而言，不太需要定量的計(jì)算，電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及磁通量的大小，感興趣的童鞋，這里推薦一本書可以參考，<<開(kāi)關(guān)電源中磁性元器件>>趙修科老師）。對(duì)于通電螺線管的磁場(chǎng)方向判斷方法為，右手握住螺管，四指指向電流方向，則拇指指向就是磁場(chǎng)方向。接下來(lái)介紹一個(gè)重要的名詞，即磁通。垂直通過(guò)一個(gè)截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通。磁力線是通電螺線管產(chǎn)生的，是實(shí)際存在的，只是看不見(jiàn)也摸不著，磁力線是一個(gè)閉和的回路，對(duì)于通電螺線管，磁力線都要經(jīng)過(guò)螺線管內(nèi)部，磁力線是與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比的。如圖3所示為通電螺線管產(chǎn)生磁力線的示意圖。

圖3 螺線管磁力線

如圖4所示為，穿過(guò)某一截面的磁通

圖4 穿過(guò)截面的磁通

磁通量用F表示，是一個(gè)標(biāo)量，單位為韋伯，代號(hào)Wb。磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及截面積A的關(guān)系為：

F=BA

從關(guān)系式可以看出，穿過(guò)橫截面的磁力線越多，磁通量就越大。對(duì)于繞在磁芯上的線圈，在其上通電流i，則線圈的電感L可以表示為：

L=NF/i

N為線圈匝數(shù)。

到此為止，通過(guò)上述的簡(jiǎn)要概述，可以知道，繞在磁芯上的線圈在匝數(shù)和電流不變時(shí)，磁芯中穿過(guò)的磁力線越多，那么磁通量就越大，則相對(duì)應(yīng)的電感量也越大。電感天生的作用就是阻止流過(guò)其上電流的變化，其實(shí)質(zhì)是阻止其磁通量的變化。這就是利用共模電感來(lái)抑制共模電流的基本原理。

如圖5所示為，共模電流在共模電感上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電流I1產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，電流I2產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，兩條黃色箭頭分別表示電流I1和I2在鐵氧體中產(chǎn)生的磁力線，可以看出電流I1和I2產(chǎn)生的磁力線是相加的，故磁通也是相加的，那么電感量就是相加的，電感量越大，對(duì)電流的抑制能力就越強(qiáng)。

圖5共模電流在共模電感上的磁通分布

對(duì)于共模電感如何抑制共模電流用一句話可以解釋，即共模電感上流過(guò)共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用。

當(dāng)兩個(gè)線圈流過(guò)差模電流時(shí)，鐵氧體磁環(huán)中的磁力線相反，導(dǎo)致磁通相互抵消，幾乎沒(méi)有電感量，所以差模信號(hào)可以基本無(wú)衰減的通過(guò)（考慮到電感本身具有一定的電阻）。所以不僅對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的輸入濾波器加共模電感，在走差分信號(hào)線時(shí)也可以加上共模電感來(lái)抑制共模電流，以防止電路誤觸發(fā)等現(xiàn)象。

4共模電感選取

根據(jù)共模電感的額定電流、直流電阻以及額定頻率下阻抗值要求，可以按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1 根據(jù)阻抗值計(jì)算最小電感值

2 選擇共模電感磁芯材料以及磁芯尺寸

3 確定線圈匝數(shù)

4 選擇導(dǎo)線

共模電感最小電感值計(jì)算公式：

Xl為頻率為f時(shí)的阻抗值

扼流圈電感值是用負(fù)載（單位：Ohms）除以信號(hào)開(kāi)始衰減時(shí)的角頻率或以上頻率。例如，在50Ω的負(fù)載中，當(dāng)頻率達(dá)到 4000 Hz 或以上時(shí)信號(hào)開(kāi)始衰減，則需要使用 1.99 mH（50/2π×4000））的電感。其相應(yīng)的共模濾波器構(gòu)造，如下圖6所示：

選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此在選擇共模電感時(shí)需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。

電感量計(jì)算出來(lái)后和普通設(shè)計(jì)電感一樣，在此就不詳細(xì)展開(kāi)。

自己在繞制電感時(shí)要注意些事項(xiàng)，

1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

2）當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。

4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力

共模電感磁芯的選取磁芯時(shí)，形狀尺寸、適用頻段、溫升以及價(jià)格都要考慮，常用的磁芯為U型、E型和環(huán)形。

相對(duì)而言，環(huán)形磁芯比較便宜，因?yàn)榄h(huán)形只有一個(gè)就可制作。而其他形狀的磁芯必須有一對(duì)才能為共模電感所用，且在成型時(shí)，考慮兩磁芯的配對(duì)問(wèn)題，還須增加研磨工序才能得到較高的磁導(dǎo)率，對(duì)于環(huán)形磁芯卻不需如此；與其它形狀磁芯相比環(huán)形磁芯有較高的有效磁導(dǎo)率，因?yàn)閮膳鋵?duì)磁芯在裝配時(shí)，無(wú)論怎樣作業(yè)都不可消除氣隙的現(xiàn)象，故有效磁導(dǎo)率比單一封閉形磁芯要低。但環(huán)形磁芯繞線成本較高，因其他形狀磁芯有一配套線架在使用，繞線可以機(jī)器作業(yè)，而環(huán)形磁芯只可以手工作業(yè)或機(jī)器（速度較低）作業(yè)；且磁環(huán)孔徑小，機(jī)器難以穿線，需要人工去繞，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加工成本高，效率低；安裝不便，若是加底座，則成本會(huì)上升。綜合性能比起來(lái)，磁環(huán)性能較好，價(jià)格也較高。因?yàn)槌杀镜囊蛩?，磁環(huán)大多用在大功率的電源上。當(dāng)然因?yàn)轶w積小，對(duì)體積有要求的小功率電源，可以采用磁環(huán)磁芯。對(duì)于主要作用是濾除低頻噪聲的共模電感，應(yīng)當(dāng)選用高磁導(dǎo)率的錳鋅鐵氧體磁芯；相反，應(yīng)該選用適用于高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。通常適用于高頻的磁芯，因其具有分布式氣隙，故磁導(dǎo)率相對(duì)較低，二者不可兼得。不過(guò)，與普通電感器不同的是，共模電感的作用是對(duì)噪聲信號(hào)形成較大的插入損耗，以減小噪聲干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時(shí)，雖然其有效磁導(dǎo)率很小，但磁芯損耗隨頻率增加而增大，對(duì)高頻噪聲有較大的阻礙作用，所以也能減弱高頻干擾，只是效果相對(duì)較差。然而，較大的磁芯損耗會(huì)導(dǎo)致磁芯發(fā)熱，而損耗較小的磁芯價(jià)格也較高。

第三部分 應(yīng)用與案例

1 電感應(yīng)用注意事項(xiàng)

1.1電感和磁珠的聯(lián)系與區(qū)別

1）電感是儲(chǔ)能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換（消耗）器件

2）電感多用于電源濾波回路，磁珠多用于信號(hào)回路，用于EMC對(duì)策

3）磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側(cè)重于抑制傳導(dǎo)性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問(wèn)題。

EMI的兩個(gè)途徑，即：輻射和傳導(dǎo)，不同的途徑采用不同的抑制方法。前者用磁珠，后者用電感。

4）磁珠是用來(lái)吸收超高頻信號(hào)，象一些RF電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路（DDR

SDRAM，RAMBUS等）都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路，中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHZ。

5）電感一般用于電路的匹配和信號(hào)質(zhì)量的控制上。一般地的連接和電源的連接。

在模擬地和數(shù)字地結(jié)合的地方用磁珠。對(duì)信號(hào)線也采用磁珠。

磁珠的大?。ù_切的說(shuō)應(yīng)該是磁珠的特性曲線）取決于需要磁珠吸收的干擾波的頻率。磁珠就是阻高頻，對(duì)直流電阻低，對(duì)高頻電阻高。比如1000R@100Mhz就是說(shuō)對(duì)100M頻率的信號(hào)有1000歐姆的電阻。因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來(lái)標(biāo)稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的datasheet上一般會(huì)附有頻率和阻抗的特性曲線圖。一般以100MHz為標(biāo)準(zhǔn)，比如2012B601，就是指在100MHz的時(shí)候磁珠的Impedance為600歐姆。

2 電感設(shè)計(jì)原則

電感不飽和（感值下降不超過(guò)合理范圍）

由磁滯回線圖可以看出，H加大時(shí)，B值也同時(shí)增加，但H加大到一定程度后，B值的增加就變得越來(lái)越緩慢，直至B值不再變化(u值越來(lái)越小，直至為零)，這時(shí)磁性材料便飽和了。通常電路中使用的電感都不希望電感飽和（特殊應(yīng)用除外），其工作曲線應(yīng)在飽和曲線以內(nèi)，Hdc稱為直流磁場(chǎng)強(qiáng)度或直流工作點(diǎn)

對(duì)于儲(chǔ)能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對(duì)與高頻開(kāi)關(guān)電流也可視為直流），也就是存在直流工作點(diǎn)Hdc不為零。磁芯需加氣隙才能承受較大的直流磁通，如下圖，所以該類電感通常選用鐵粉芯做磁芯（有分散氣隙）。

由于磁芯加了分布?xì)庀?，其飽和過(guò)程就不是一個(gè)突變而是一個(gè)漸變的過(guò)程，所以電感的不飽和問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為電感感值在直流量下的合理下降問(wèn)題。

對(duì)于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC電感，電感的取值通常由設(shè)計(jì)要求最大紋波電流（Ripple Current）來(lái)決定（通常設(shè)計(jì)指標(biāo)是最大紋波電流百分比）。

其中，對(duì)于BUCK和DC-DC電感，其直流工作點(diǎn)（IAVG）相對(duì)恒定，如圖

△Imax是紋波電流峰峰值

這是在最大直流工作點(diǎn)時(shí)，所需的電感最小感值。

電感初始感值與最大直流工作點(diǎn)下感值的關(guān)系

可從磁芯廠商提供的圖表或計(jì)算公式得到。通常，無(wú)論如何設(shè)計(jì)，在最大直流工作點(diǎn)處，都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％，否則將導(dǎo)致感值擺動(dòng)太大而對(duì)控制器產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于PFC、BOOST電感，其直流工作點(diǎn)是50Hz/60Hz的工頻信號(hào)，并不固定，如下圖。

此時(shí)，最大紋波電流百分比定義為最大紋波電流與額定輸入電壓下的電感電流峰值之比。

注意，BOOST拓?fù)涞淖畲蠹y波電流發(fā)生在輸入瞬時(shí)電壓為BUS電壓一半處，此時(shí)占空比為0.5。

，注意，此處的直流工作點(diǎn)是輸入瞬時(shí)電壓為BUS電壓一半時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入瞬時(shí)電流。

同時(shí)，在最惡劣條件的最大直流工作點(diǎn)下（低壓滿載輸入電流的峰值），

也都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％。

對(duì)于INV電感，電感的取值通?？纯刂破髂芊窨煽肯蘖鱽?lái)決定。

由于INV電感需承受RCD等非線性沖擊負(fù)載，所以UPS通常有波峰因數(shù)比大于3：1的要求，考慮實(shí)際逆變限流會(huì)稍大于3:1，通常取到4：1，所以，INV電感的最大直流工作點(diǎn)可以設(shè)為4:1（4倍于額定負(fù)載下的電感電流有效值）。當(dāng)然，若波峰因數(shù)規(guī)格要求改變，需要做相應(yīng)調(diào)整。

最大直流工作點(diǎn)下，μdc% 不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％，否則很可能造成限流不可靠而損壞INV開(kāi)關(guān)管。

感值確定后，選擇恰當(dāng)?shù)拇判荆橐?guī)格可得其AL值，用以下公式就可算出匝數(shù)。

電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許的范圍內(nèi)（考慮使用壽命）

電感主要由磁芯、線圈組成，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構(gòu)成。

磁芯（Core）：

儲(chǔ)能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構(gòu)成，目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導(dǎo)致失效的問(wèn)題，其失效機(jī)理可解釋如下：鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成，絕緣介質(zhì)通常是高分子聚合物－樹(shù)脂類構(gòu)成，其在高溫下絕緣性能會(huì)慢慢劣化，鐵磁材料間的電阻會(huì)越來(lái)越小，從而磁芯的渦流損耗越來(lái)越大，大的損耗導(dǎo)致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱為熱跑脫效應(yīng)（Thermal Run away）。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應(yīng)決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關(guān)系。目前公司使用較多的MicroMetals公司的鐵粉芯存在上述問(wèn)題。但也需提醒的是，如絕緣介質(zhì)無(wú)高溫劣化問(wèn)題，磁芯便不會(huì)有熱跑脫效應(yīng)，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān)，并不絕對(duì)。

磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關(guān)，如前所述，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，對(duì)于粉芯類磁芯，由于磁材料間絕緣阻抗很大，渦流損耗幾乎可以忽略不計(jì)（但熱跑脫效應(yīng)是由于渦流損耗越來(lái)越大引起）。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度（磁滯回線面積）有關(guān)，與其直流工作點(diǎn)磁通密度關(guān)系不大，以下公式是MicroMetals公司鐵粉芯磁芯損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中為開(kāi)關(guān)工作頻率，B（單位Gauss）為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，其為個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度峰峰值的一半（）。為常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，常用材質(zhì)常數(shù)見(jiàn)下表。

對(duì)于BUCK和DC-DC電感，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，脈寬也基本穩(wěn)定，所以B值很容易確定。但對(duì)于PFC、BOOST和INV電感，其脈寬一直是變動(dòng)的，B值也一直是變動(dòng)的，所以在一個(gè)工頻周期內(nèi)的瞬時(shí)損耗也是不定的，這時(shí)的損耗應(yīng)以一個(gè)工頻周期的平均值

來(lái)衡量。

我們知道最大電流紋波發(fā)生在輸入（或輸出）是輸出（或輸入）電壓一半的時(shí)候得到，其實(shí)此時(shí)也是瞬時(shí)交流磁通密度達(dá)到最大的時(shí)候，稱之為，所以此時(shí)的瞬時(shí)損耗也達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最惡劣條件下

有如下關(guān)系：

其中K與電路拓?fù)湟约拜敵鲭妷赫{(diào)制比

有關(guān)。下圖是半橋和全橋逆變拓?fù)涞碾妷赫{(diào)整率與K的關(guān)系。

平均功率與峰值功率比和電壓調(diào)整率關(guān)系圖

目前BUS電壓介于340V~400V間，所以電壓調(diào)整率介于0.7~0.9間，由圖可看出K介于0.35~0.6范圍。

線圈（Coil）：

線圈的損耗是電流在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的。電感中導(dǎo)線的電流通常包含工頻或直流成分的低頻電流和開(kāi)關(guān)頻率的高頻電流。

磁損與銅損的比例：

磁芯的材料（除硅鋼片較好外）通常是熱的不良導(dǎo)體，熱阻較高，而銅線是熱的良導(dǎo)體，熱阻很小。再加上通常用的環(huán)形磁芯都是線圈包住鐵芯（內(nèi)鐵式）。因此線圈上的熱量可以較磁芯上的熱量更好地散發(fā)出去。為保證鐵芯溫度可以受控制，

電感的工藝要求可以達(dá)成

電感理論設(shè)計(jì)完成后，就需要考慮工程實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題了。

需考慮的工藝問(wèn)題有：

1）電感線圈是否可繞得下

2）線圈的繞法

電感線圈的繞法主要有循環(huán)式、往復(fù)式、漸進(jìn)式三種。

循環(huán)式繞法是導(dǎo)線一直沿同一個(gè)方向繞制，多層導(dǎo)線之間相互疊壓。

優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制，繞線系數(shù)高。

缺點(diǎn)：繞線起始端與結(jié)束端幾乎沒(méi)有間距，層間壓差大，高壓應(yīng)用時(shí)易導(dǎo)致因壓差過(guò)高而導(dǎo)線絕緣失效。

往復(fù)式繞法是導(dǎo)線繞完一層后反方向再繞下一層后，多層導(dǎo)線之間相互疊壓。起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)。

優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制；起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，可部分解決壓差大導(dǎo)致的導(dǎo)線絕緣失效問(wèn)題。

缺點(diǎn)：繞線起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，繞線系數(shù)不高。

漸進(jìn)式繞法是導(dǎo)線由起始端沿一個(gè)方向繞到結(jié)束端，導(dǎo)線不分層。

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線間壓差小，繞線起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，適合高壓應(yīng)用。

缺點(diǎn)：需手工繞制，效率低，成本高；繞線零亂，繞線系數(shù)低。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)電感工作的電壓來(lái)決定選用何種繞法，但由于漸進(jìn)式繞法的效率低、成本高，非不得已不要選用。

誤差的確定

由于磁芯材料的磁參數(shù)均有較大的分布誤差，批次不同或廠商不同則差異可能更大，通常為±15％～25％，所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在參數(shù)偏差時(shí)所造成的影響

我們知道電感磁芯是很多電子產(chǎn)品中都會(huì)用到的產(chǎn)品，比如：手機(jī)，變壓器等等，電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，而電感磁芯也不例外。如果電感磁芯的損耗過(guò)大，就會(huì)影響電感磁芯的使用壽命。

電感磁芯損耗（主要包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分）的特性是功率材料的一個(gè)最主要的指標(biāo)，它影響甚至決定了整機(jī)的工作效率、溫升、可靠性。

什么是電感？

電感是把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)的元件，它只阻礙電流的變化，有通電與未通電兩種狀態(tài)，如果電感器在沒(méi)有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路接通時(shí)它將試圖阻礙電流流過(guò)它；如果電感器在有電流通過(guò)的狀態(tài)下，電路斷開(kāi)時(shí)它將試圖維持電流不變。

電感磁芯是由線圈和磁芯以及封裝材料組成的，線圈主要起導(dǎo)電作用，即磁芯是由磁導(dǎo)率高的材料組成，把磁場(chǎng)緊密地約束在電感元件周圍增大電感。磁芯是由傳統(tǒng)的硅鋼片，到鐵粉, 鐵氧體, 鐵硅等變化。

電感的損耗

電感的損耗主要來(lái)源于磁芯損耗和線圈損耗兩個(gè)方面，而且這兩個(gè)方面的損耗量的大小又需要根據(jù)其不同電路模式來(lái)進(jìn)行判斷。其中，磁芯損耗主要是因?yàn)榇判静牧蟽?nèi)交替磁場(chǎng)而產(chǎn)生的，它所產(chǎn)生的損耗是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數(shù)，會(huì)大大降低了有效傳導(dǎo)損耗。線圈損耗則是因?yàn)榇判阅芰孔兓斐傻哪茉春膿p，它會(huì)在當(dāng)功率電感電流下降時(shí)，降低磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

電感磁芯損耗

1、磁滯損耗

磁芯材料磁化時(shí)，送到磁場(chǎng)的能量有2部分，一部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，即去掉外磁化電流時(shí)，磁場(chǎng)能量可以返回電路；而另一部分變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。

磁滯回線，如下圖：

磁化曲線中陰影部分的面積代表了在一個(gè)工作周期內(nèi)，磁芯在磁化過(guò)程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。如上圖可知，影響損耗面積大小幾個(gè)參數(shù)是：最大工作磁通密度B、最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H、剩磁Br、矯頑力Hc，其中B和H取決于外部的電場(chǎng)條件和磁芯的尺寸參數(shù)，而B(niǎo)r和Hc取決于材料特性。電感磁芯每磁化一周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大，磁感應(yīng)擺幅越大，包圍面積越大，磁滯損耗越大。

2、渦流損耗

在磁芯線圈中加上交流電壓時(shí)﹐線圈中流過(guò)激勵(lì)電流﹐激磁安匝產(chǎn)生的全部磁通Φi在磁芯中通過(guò)﹐如下圖。磁芯本身是導(dǎo)體﹐磁芯截面周圍將鏈合全部磁通Φi而構(gòu)成單匝的副邊線圈。

磁芯中的渦流

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知：U= NdΦ/d t；每一匝的感應(yīng)電勢(shì)﹐即磁芯截面最大周邊等效一匝感應(yīng)電勢(shì)為

因?yàn)榇判静牧系碾娮杪什皇菬o(wú)限大﹐繞著磁芯周邊有一定的電阻值﹐感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流ie即渦流，流過(guò)這個(gè)電阻，引起ie2R損耗﹐即渦流損耗。

3、剩余損耗

剩余損耗是由于磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂弛豫是指在磁化或反磁化的過(guò)程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強(qiáng)度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個(gè)過(guò)程，這個(gè)‘時(shí)間效應(yīng)’便是引起剩余損耗的原因。它主要是在高頻1MHz以上一些馳豫損耗和旋磁共振等，在開(kāi)關(guān)電源幾百KHz的電力電子場(chǎng)合剩余損耗比例非常低，可以近似忽略。

選擇合適的磁芯，要考慮不同的B-H曲線和頻率特性，因?yàn)锽-H曲線決定了電感的高頻損耗，飽和曲線及電感量。因?yàn)闇u流一方面引起電阻損耗，導(dǎo)致磁材料發(fā)熱，并引起激磁電流加大，另一方面減少磁芯有效導(dǎo)磁面積。所以盡量選擇電阻率高的磁性材料或采用碾軋成帶料的形式以減少渦流損耗。因此，鉑科新材料NPH-L適用于更高頻率、高功率器件的低損耗金屬粉芯。如圖所示：

磁芯損耗是磁芯材料內(nèi)交替磁場(chǎng)引致的結(jié)果。某一種材料所產(chǎn)生的損耗，是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數(shù)，從而降低了有效傳導(dǎo)損耗。磁芯損耗是由磁芯材料的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。所以，磁芯損耗是磁滯損耗、渦流損耗和剩磁損耗的總和。公式如下：

磁滯損耗為磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生的功率損耗，正比于磁滯回線包圍的面積。當(dāng)穿過(guò)磁芯的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)磁芯內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的損耗叫做渦流損耗。剩余損耗是除了磁滯損耗和渦流損耗以外其他所有損耗。

這一公式是用于測(cè)定磁通密度的峰值，與磁芯損耗曲線并用，應(yīng)用在正弦波上，在這狀態(tài)下，磁芯產(chǎn)生—種磁通密度峰與峰之間的擺幅(ΔB)，這一擺幅是上述公式所計(jì)算出的磁芯損耗磁通密度峰值的兩倍，如下圖所示：

總結(jié)：在總損耗主要是由磁芯損耗而不是銅損耗引起的電感器用途上，可用磁導(dǎo)率較低的磁芯材料改進(jìn)。