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    ** 编辑:谷景电子**

    看过小编之前关于工字电感文章的朋友应该知道,工字电感是属于插件电感,是一种开放式的电感,而且是非屏蔽式的电感。一体成型电感小编截至目前还没有给大家详细地分享过一些知识,一体成型电感是属于贴片电感的一种,与工字电感的非屏蔽式属性正好完全相反,它是屏蔽式电感。关于一体成型电感的详解介绍本篇暂不展开,只先简单给大家介绍工字电感与一体成型电感的区别。
    在这里插入图片描述

    关于它们的区别,我们可以从以下几个方面简单来对比:
    (1)电感结构:这个在上面已经说过,工字电感是开放式的非屏蔽电感;一体成型电感是全封闭的式屏蔽电感;
    (2)适用电流大小:一体成型电感的电流整体来说是要比工字电感大的;工字电感的耐电流大小会因为磁芯材质的不同而呈现比较大的差异化;
    (3)感值大小:一体成型电感除了电感可以做的比较大,它的感值也可以做到非常小,这是工字电感所不能比拟的。比如:一体成型电感的感值可以做到1uh;而工字电感的感值却很难做到这样的水平;
    在这里插入图片描述

    (4)磁芯材质:工字电感的常见磁芯材质主要有:锰芯、镍芯、镁芯;一体成型电感的磁芯材质相较于工字电感的磁芯材质要丰富的多,比如有:合金的磁芯、羰基粉磁芯、还有还原粉磁芯材质。另外一体成型电感的这些磁芯粉末配方是可以根据客户的实际需要进行定制化调整的。

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  • 一体成型区别于传统绕线电感,是由数控自动绕线机绕制好的空心线圈,(SMD需要外接电极)植入特定的模具,填入磁性粉末,高压压制成型,高温固化后加一防氧化涂层而成的一体化结构的电感器。
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  • 一体成型电感具有高稳定性、高储能和低电阻等性能的高品质电感,因其小型、抗饱和、抗干扰等特点被应用各种领域,如移动通讯、汽车、计算机等领域内。 色环电感是一款能应用在高度自动行业的电感,它有重量轻、...

    一体成型电感具有高稳定性、高储能和低电阻等性能的高品质电感,因其小型化、抗饱和、抗干扰等特点被应用各种领域,如移动通讯、汽车、计算机等领域内。
    在这里插入图片描述

    色环电感是一款能应用在高度自动化行业的电感,它有重量轻、自共振频率高、高Q值等特点,被广泛应用在电视、计算机、通讯产品等领域内。既然它们都是被广泛应用的电感产品,那么它们有什么不同呢?今天就简单的带大家看看它们之间的一些不同点。
    1、在工艺方面
    工艺方面这两种电感差异很大,色环电感是在磁芯绕线,然后做储层,需要注意的是它的绕法是在磁芯上绕,而我们的一体成型电感是压制的,它是有线圈,并且有粉末一起通过,利用大吨位的冲压机去压,经过压制成型制造出来的,同时也会产生问题,如压力过大容易使产品破裂,影响使用,压力过小会使产品强度达不到。所以在工艺方面它们两个的差别还是很大的。
    在这里插入图片描述

    2、适用范围不一样
    因它们在工艺方面的差异性,造成了它们适用范围也有很大的差异性。色环电感,是属于插件电感系列的,它只能用在一些小电流的的产品中;而一体成型电感,它是贴片电感系列的,所用的范围也是一些大电流的的产品中并且拥有小感值。
    3、精度
    色环电感一些感知超过10mH以上的可以做到5%精度,而一体成型电感,精度最高只能只能做到20%。也就是说色环电感在感值情况下,如10mH左右的,我们精度可以做到1%和2%,这些都是可以做到的。

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                                **编辑:谷景电子**
    

    一体成型电感是屏蔽式电感,一体成型电感主要有两部分组成——磁芯和线组,它的生产是是将漆包线埋入磁芯粉末当中利用机器压铸而成,同时它的引脚位于电感的表面。
    因为它的生产工艺,所以一体成型电感结构更稳定,阻抗更低,抗震性能更好,同时因为它的结构原因能很大程度上避免噪音的产生,同时能够降低电磁干扰。
    一体成电感有哪些特点呢?
    1、体积小,较薄的架构,适用于表面贴装全自动化生产,生产效率高;
    2、焊锡性强,耐高温;
    在这里插入图片描述

    3、有金属粉末压铸而成,低损耗,低阻抗,引脚采用无引线,寄生电容小;
    4、磁芯材料十分讲究,做工十分精细,工作频率覆盖范围广。
    不过一体成型电感也有缺点:如做工复杂,生产技术要求高,生产设备要求高端,同时生产成本相对较高。
    关于一体成型电感的特点和优点我们也有了进一步了解,下面我们就来说一下一体成型电感的应用有哪些领域。
    电压调节模块DC/DC转换器领域
    在这里插入图片描述

    一体成型电感常被用在电压调节领域和DC/DC转换器上,能提高产品性能,节省电路板空间和减少能耗
    便携式移动设备如手机领域
    一体成型电感适用于高温商业产品,包括最新一代移动设备、笔记本电脑、台式电脑、服务器、电脑显卡、便携式游戏机、车载导航以及高电流电源等领域。
    高速PC显卡上应用多颗一体成型电感
    一体成型电感常被大量使用在高速PC显卡/CGA模组、差模滤波电感器、通信网络、汽车电子产品等领域内

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  • 主要产品:一体成型电感SMP0420系列、SMP0520系列、SMP0530系列、SMP0624系列 SMP0630系列、SMP1040系列、SMP1050系列、SMP1250系列、SMP1265系列 SMP1770系列。 应用领域:开关电源(DC-DC转换器、无线充电器等),能源...
  • 电感

    2021-01-22 21:59:20
    电感作为三大基本元件之一,其重要性可想而知,作为硬件工程师,我们必须熟练掌握其特性。 笔者将结合自身经验,首先进行理论分析,尽可能用通俗易懂的描述,来阐述电感是什么,怎么产生的。理论的分析尽管比较枯燥...

    电感作为三大基本元件之一,其重要性可想而知,作为硬件工程师,我们必须熟练掌握其特性。
    笔者将结合自身经验,首先进行理论分析,尽可能用通俗易懂的描述,来阐述电感是什么,怎么产生的。理论的分析尽管比较枯燥,但是非常有必要,能够使我们知其然,并且知其所以然。尤其是在分析一些寄生电感的场景中,比如引脚电感,过孔电感,传输线理论模型等等这些,将会非常有用、不再使人云里雾里。
    其次,功率电感是我们用得最多的电感,其因为材料,封装,工艺等等的差异,也会有各种类型。不同类型的电感参数也会差异比较大。本文会重点介绍功率电感的各种参数,电感值、饱和电流、温升电流、额定电流、DCR、Q 值、屏蔽性、价格等等内容。了解了这些内容,电感选型将会是一件非常容易得事。

    电感相关理论介绍

    • 电感的定义
      当电流通过线圈后,会产生磁场,磁感线穿过线圈,产生的磁通量与电流 i 有如下关系:φ = Li
      L 即为线圈的自感系数,也就是电感。
    • 电感的本质特性
      根据法拉第电磁感应定律,当通过线圈的磁通发生变化,在线圈两端就要产生感应电动势,并且感应电动势的大小正比于磁通的变化率,即有下面公式:
      在这里插入图片描述

    这个公式可称为电感的本质特性,即它并不是由其它公式推算出来的,而是基于事实而存在的,什么意思呢?就类似于数学里面的公理,公理是不需要证明的,而定理是需要证明的。
    这个公式很重要,相比于电感的定义公式,因为我们很少直接计算磁通量。而这个公式直接把电感值与电流和电压结合起来了,电路中我们关注的也主要是电压和电流,所以它是我们分析电感电路的基础,我们也需要熟记这个公式。
    公式中负号表示感应电动势是要阻止电流变化,如下图所示。
    在这里插入图片描述
    从这个公式中,我们也可以得出以下特性
    1-不能让电感电流突变
    电流突变会造成 di/dt 的值无限大,也就是说在电感两端产生无限大的电压,这通常会对电路造成破坏,需要尽量避免。
    2-电感在直流电路中相当于短路
    直流电路中,di/dt 为 0,产生的感应电动势为 0,也就是说电感在直流电路中相当于短路。
    3-电感两端加恒定电压时、电流线性增大或者减小
    在电感两端加上恒定电压 U 时,感应电动势与所加电压相等,方向相反,等于-U(负号表示感应电动势要阻止电流变化)。根据上述公式,di/dt=U/L=常数,这说明电感的电流是线性的增加的。
    这一点就解释了 DCDC 开关电源中电感电流波形为什么是三角波。在开关打开时,电感两端电压为 VinVout,因此电感电流线性增加,给电感充电。而在开关闭合时,电感两端电压为-Vout,电感电流线性减小,电感放电。

    • 磁导率
      电流产生磁场,但电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的。
      例如,在相同条件下,铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性,将不同的磁介质用一个系数 µ 来考虑,µ 称为介质磁导率,表征物质的导磁能力。在介质中,µ 越大,介质中磁感应强度 B 就越大。
      真空中的磁导率一般用 µ0 表示。空气、铜、铝和绝缘材料等非磁材料的磁导率和真空磁导率大致相同。而铁、镍、钴等铁磁材料及其合金的磁导率都比 µ0 大 10~100000 倍。
      最初,将真空磁导率 µ0 定为 1,其他材料的磁导率实际上是真空磁导率的倍数。沿用了很长时间,并影响到一些基本关系式的表达,就是在公式中经常出现的 4π,现在英美还在应用,这就是非合理化单位制(CGS 制)的来由。但是,近代物理经过测试,实际真空磁导率为:
      μ0 = 4π × 10−7 𝐻/m
      因此其他材料的实际磁导率应当是原先磁导率乘以 µ0。因为在 µ0 中包含了 4π,这样在所有表达电磁关系的公式中没有了讨厌的 4π,形成了所谓合理化单位制( MKS 制)。这里将其他材料磁导率高于真空磁导率的倍数称为相对磁导率 µr。
    • 电感值的公式
      前面电感的本质公式里,阐述了电感值与电流与电压的关系。但是线圈的电感值是其本身自有的属性,与所加的电压或者电流并没有关系,只是能用这个公式测量而已。那么线圈的电感值与哪些因素有关系呢?
      一般计算载流导体的电感是十分困难的,所以尝尝采用经验公式。
      1 导线电感值
      载流导线总是闭合的,包围的面积越大,磁通量也越大,电感也越大。一段导线总是自感的一部分。导线长度为 l(m),直径为 d(m),磁导率为 u=u0,则电感为:
      在这里插入图片描述
      例:一段直径为 1mm,长为 50cm 的铜连接线的低频电感量:
      在这里插入图片描述从公式可以得出如下结论:
      ①线长越长,电感越大
      ②线越细,电感越大
      这两个结论对我们理解寄生电感很有帮助,要想减小寄生电感,走线要尽量短,尽量粗。也能大致看出为什么地平面是低电感路径。
      2 不带磁芯电感
      圆导线做成的单层圆柱形线圈电感:
      在这里插入图片描述

    D:线圈的平均直径(m);
    l: 线圈的轴向长度(m);
    k:与 D/l 有关的常数,可采用以下的拟合公式
    在这里插入图片描述
    上式中的 a,b,c 关系如下表,与实际误差在 5%以下
    在这里插入图片描述
    由公式可以得到如下结论:
    ①电感与匝数的平方成正比,但是匝数越多,轴向长度越长,会使 k 减小
    ②电感与线圈的直径成正比,直径越大,电感越大。
    例:用 1.6mm 铜导线绕成 1 层圆柱形电感,共 20 匝。圆柱平均直径 2cm,柱长 4cm,求电感量?
    答:因为 D/l 小于 1,从拟合表得到
    在这里插入图片描述
    3 带磁芯电感
    当电感线圈有磁芯时,因磁芯的磁导率比周围空气的磁导率高得多,磁通被限制在磁路中。即使高磁导率磁芯在磁路中开有气隙,散磁发生在气隙附近,其它部分散磁较少。
    其电感值的公式为:
    在这里插入图片描述
    电感量与其磁导率、匝数 N 的平方、及等效磁路截面积 Ae 成正比,而与等效磁路长度 le 成反比。

    • 电感的储能
      电感是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。
      储存的能量公式为:
      在这里插入图片描述
      注意,单位是焦耳 J。
      这个公式能看出什么呢?电感的储能是要有电流流过的,如果电流为 0,那么储能为 0。
      从能量角度看电感如何产生高压:
      根据能量守恒定律,能量不能直接消失,只能从一种转换为另外一种。从这个角度来说,如果突然断开电感的回路,即电感电流突然为 0,原来储存的磁量需要被快速转换为其它能量,这里一般就是电能了,如果没有明显的路径去释放,就会产生高压。实际电路中总会存在寄生电容,可以理解为这时能量转换到了寄生电容里面,因为寄生电容都很小,所以会产生比较高的电压,也是因为寄生电容的存在,所以实际电路不会产生无限高压。
    • 电感等效模型
      电感实际生产出来并不是理想电感,线圈匝数之间也会存在寄生电电容,线圈也不是超导体,会存在直流电阻,所以,电感等效模型如下图。
      在这里插入图片描述
      电感模型由电感和电阻串联,然后和电容并联构成,很容易列出去复阻抗表达式:
      在这里插入图片描述
      其模值为:
      在这里插入图片描述
      根据这个公式,我们通常得到的阻抗的曲线如下图
      在这里插入图片描述
      可以看到,电感有个自谐振点,谐振频率为:
      在这里插入图片描述
      可以看到,在谐振频率处,阻抗达到最大值;频率低于谐振频率时,电感主要呈现感性;而在频率高于谐振频率时,电感主要呈现容性。

    磁芯

    实际使用的电感,中间通常都会存在磁芯,使用磁芯的目的是为了以更小的体积获得更大的电感量,因为它相对空气有很大的磁导率,磁导率类似电容里面中间介质的介电常数。但也是因为电感磁芯的不同,电感的各个参数差异很大。
    用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件,中心的铁芯材料最是影响电感器之特性,如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。 以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较,以作为选择功率电感的重要参考。

    • 磁芯材料种类
    • 陶瓷芯:陶瓷芯是常见的电感材料之一,主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构,又被称为空芯电感。因所使用的铁芯为非导磁材料,具有非常低的温度系数,在操作温度范围中电感值非常稳定。然 而由于以非导磁材料为介质,电感量非常低, 并不是很适合电源转换器的应用。
      铁氧体:一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌(NiZn)或锰锌(MnZn)之铁氧体化合物,属于矫顽磁力低的软磁类铁磁材料。矫顽磁力亦称为保磁力,指当磁性材料已磁化到磁饱和后,使其磁化强度减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低,也意味着磁滞损失较小。
      锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率,分别为约 1500~15000 100~1000,其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而,缺点是其可耐受的饱和电流较低,且铁芯一旦饱和,磁导率会急遽下降。用于功率电感时,会在主磁路留气隙,可降低磁导率,避免饱和及储存较多能量;含有气隙时的等效相对磁导率约可在 20-200 之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流造成的损耗,因此在高频时损失较低,较适用于高频变压器,EMI 滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在(>1 MHz),而锰锌铁氧体适用于较低的频段(<2 MHz)。
      粉末铁芯:粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料,是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成,配方中有颗粒大小不同的非导磁材料,因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型呈现居多,如图所示为粉末铁芯及其截面图。
      常见的粉末铁芯有铁镍钼合金、铁硅铝合金、铁镍合金及铁粉芯等。因所含成分不同,其特性及价格也有所不同,因而影响电感器的选择。
    • 不同磁芯特性对比
    • 在这里插入图片描述以实际应用而言,其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错,相对成本低,具有高性价比,因此常被用于 EMI 滤波电感。
      锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯,饱和磁通密度也相差很多,铁氧体约 5000 高斯而铁粉芯大于10000 高斯以上。
      铁芯饱和特性各有不同;一旦超过饱和电流,铁氧体铁芯的磁导率会陡降,而铁粉芯则可缓慢降低。
      下图所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。
      在这里插入图片描述这也解释了铁氧体铁芯电感,因磁导率在铁芯饱和时骤降,因电感量与磁导率成正比,因此造成电感量骤降;而粉末铁芯,磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降,因此电感量也降低得比较缓和,即有较好的直流偏置特性。在电源转换器的应用中,此特性很重要;若电感的缓饱和特性不佳时,电感电流上升到达饱和电流,电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升,容易造成损坏。
    • 磁滞回线
      1 磁化过程
      如将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中,磁场强度从零逐渐增加,测量铁磁物质的磁通密度 B,得到磁通密度和磁场强度 H 之间关系,并用 B-H 曲线表示,该曲线称为磁化曲线。
      在这里插入图片描述
      没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的,所以对外界不表现磁性。
      当磁介质置于磁场中,外磁场较弱时,随着磁场强度的增加,与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向,磁感应 B 随外磁场增加而增加,特性为上图中的 o-a 段曲线。如果将外磁场 H 逐渐减少到零时,B 仍能沿 ao 回到零,即磁畴发生了“弹性”转动,故这一段磁化是可逆的。
      当从磁场继续增大时,与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向,那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”,也开始转向外磁场方向,此时磁感应 B 随 H 增大急剧上升,如磁化曲线 a-b 段。如果把a-b 段放大了看,曲线呈现阶梯状,说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场,B 将不再沿 b-a段回到零,过程是不可逆的。
      磁化曲线到达 b 点后,大部分磁畴已趋向了外磁场,从此再增加磁场强度,可转动的磁畴越来越少了, 故 B 值增加的速度变缓,这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。从 b 进一步增大磁场强度,只有很少的磁畴可以转向,因此磁化曲线缓慢上升,直至 c 点,材料磁性能进入所谓饱和状态,随磁场强度增加 B 增加很少,该段磁化曲线称为饱和段。这段磁化过程也是不可逆的。
      从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。
      2 磁滞回线
      典型的磁滞回线如下图,下面来讲这个曲线是什么意思。
      在这里插入图片描述如果将铁磁物质沿磁化曲线 OS,由完全去磁状态,磁化到饱和 Bs,此时如将外磁场 H 减小,B 值将不再按照原来的初始磁化曲线 OS 减小,而是更加缓慢地沿较高的 B 减小,这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场 H=0 时,B≠0,即尚有剩余的磁感应强度 Br 存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。磁感应强度 B 的改变滞后于磁场强度 H 的现象称为磁滞现象。
      如要使 B 减少,必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H,当这个反向磁场强度增加到-Hc 时,才能使磁介质中 B=0。这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态,而是一部分磁畴仍保留原磁化磁场方向,而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向,两部分相等时,合成磁感应强度为零。
      如果再继续增大反向磁场强度,铁磁物质中反转的磁畴增多,反向磁感应强度增加,随着-H 值的增加,反向的 B 也增加。当反向磁场强度增加到-Hs 时,则 B=-Bs 达到反向饱和。如果使-H=0,B=-Br,要使-Br 为零,必须加正向 Hc。如 H 再增大到 Hs 时,B 达到最大值 Bs,磁介质又达到正向饱和。这样磁场强度Hs→0→- HC→-Hs→0→HC→Hs,相应地,磁感应强度由 Bs→Br→0→-Bs→- Br→0→Bs,形成了一个对原点 O 对称的回线,称为饱和磁滞回线,或最大磁滞回线。
      在饱和磁滞回线上可确定的特征参数:
      ①饱和磁感应强度 Bs
      是在指定温度(25℃或 100℃)下,用足够大的磁场强度磁化磁性物质时,磁化曲线达到接近水平时,不再随外磁场增大而明显增大(对于高磁导率的软磁材料,在 µr=100 处)对应的 B 值。
      ②剩余磁感应强度 Br
      铁磁物质磁化到饱和后,又将磁场强度下降到零时,铁磁物质中残留的磁感应强度,即为 Br。称为剩余磁感应强度,简称剩磁。
      ③矫顽力 Hc
      铁磁物质磁化到饱和后,由于磁滞现象,要使磁介质中 B 为零,需有一定的反向磁场强度-H,此磁场强度称为矫顽磁力 Hc。
      如果磁滞回线很宽,即 Hc 很高,需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和,同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零,也就是说这类材料磁化困难,去磁也困难,我们称这类材料为硬磁材料。如铝镍钴,钐钴,钕铁硼合金等永久磁铁,常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽,矫顽磁力高。
      另一类材料在较弱外磁场作用下,磁感应强度达到很高的数值,同时很低的矫顽磁力,即既容易磁化,又很容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体等。某些特殊磁性材料,如恒导磁合金和非晶态合金也是软磁材料。可见,所谓“软磁”,不是材料的质地柔软,而是容易磁化而已。实际上,软磁材料都是既硬又难加工的材料。如铁氧体,既硬又脆,是开关电源中主要应用的软磁材料。

    电感实物

    • 电感种类
      电感依铁芯形状不同有环型、E 型及工字型;
      依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯及两大软磁类, 分别是铁氧体及粉末铁芯等。
      依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式,而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。
      .1 电感制作工艺
      ①绕线电感:铜线绕制
      在这里插入图片描述
      ②叠层电感:丝网印刷
      在这里插入图片描述
      ③薄膜电感:薄膜工艺
      在这里插入图片描述
      ④一体成型:压制成型
      在这里插入图片描述
      .2 电感内部结构
      ①绕线电感
      在这里插入图片描述②叠层电感
      在这里插入图片描述③薄膜电感
      在这里插入图片描述④一体成型
      在这里插入图片描述
    • 电感值
      电感的符号一般是“L”,电感单位:亨(H)、毫亨(mH)、微亨(uH)、纳亨(nH)。与电容单位类似,亨是一个很大的单位,常用的电感单位一般是微亨 uH 和纳亨 nH。
      电感换算:1H=103mH=106uH=10^9nH。
      一般 DCDC 常用的功率电感的范围是 1uH~100uH。
      电感器的电感值在电路设计时为最重要的基本参数,电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下,以 100kHz 或 1MHz 所量得。这个测试条件,说明了电感的电感量是和直流偏置以及频率有关系的。
    • 电感精度
      电感的精度并不高,一般标称值为±20%或者±30%。
    • 电感电流
      实际电感所能承受的电流都会有一个上限,而一般厂家给出电感的规格书手册中也会标注电流范围。然而经常让人疑惑的是,有的厂家会只标注一个饱和电流,有的厂家会只标注一个额定电流,还有的厂家会标注饱和电流和温升电流。下面来分别介绍下饱和电流,温升电流,以及额定电流。
      .1 饱和电流 Isat
      饱和电流 Isat 一般是标注在电感值衰减 30%(一些厂家是 10%,40%)的偏置电流。
      饱和电流为什么会存在呢?
      电感一般都含有磁芯,特别是功率电感,磁芯是存在磁饱和的。什么是磁饱和呢?由于磁芯材料自身的特性,其通过的磁通量是不可以无限增大的。通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加,不管你再增加电流或匝数,就达到磁饱和了。尤其在有直流电流的回路中,如果其直流电流已经使磁芯饱和,电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化,电感器就失去了作用,这时磁芯完全饱和。
      当然我们并不会等到电感完全饱和。事实上,在电流比较小时,单位电流产生的磁通量与电流成正比,这个意思就说磁芯磁导率为常数。而随着电流慢慢增大,单位电流的增加产生的磁通量的增量是下降的,也就是说随着电流的增加磁导率是慢慢下降的。
      根据前面电感的公式,电感量是与磁导率成正比的,所以电感量随电流增大而减小。并且,不同的磁芯,电感量随电流变化的曲线不同,但是趋势是一样的,都是随电流增加而减小的。
      .2 温升电流 Irms
      理想的电感是储能元件,不耗能。而实际中的电感是有损耗的,所以会发热。而温升电流,一般指电感自我温升温度不超过 40 度时的电流。
      为什么电感对温度有要求呢?先来看一看居里温度。
      居里点又作居里温度或磁性转变点。当温度高于居里点时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。
      居里点由物质的化学成分和晶体结构决定,不同材质的磁芯的居里温度各不相同。
      磁芯温度一旦超过其居里温度,它的磁导率会急剧下降,也就说在到达居里温度后,磁芯的电磁效应已无法起到作用,相对磁导率为 1,和空气差不都了。事实上,按照磁性材料生产厂家的广泛定义,在到达所定义的居里温度之前,磁导率已经开始急剧下降了。
      磁性材料的相对磁导率通常随温度上升而达到一个最大值,然后在达到居里温度时剧烈降低为 1。线圈电感量 L 与温度磁性材料的相对磁导率成正比,故温度变化,线圈电感量 L 也会跟着变化。
      3 额定电流 Irat
      电感最终的额定电流,是饱和电流和温升电流中的小者。
      我们在电路设计中,关于额定电流一般至少会留 20%的裕量。即电感通过的最大电流要小于手册中的额定电流的 80%。
    • 直流导通电阻 DCR
      电感一般是由导线绕制而成的,而导线是有直流电阻的,这个电阻就叫作 DCR。
      电感的 DCR 一般与电感的电感量和额定电流有关系。电感感量越大,导线的匝数越多,线长越长,因此 DCR 越大。同等电感量,额定电流越大,导线会越粗,DCR 越小。
      在这里插入图片描述
    • 自谐振频率
      电感的自谐振频率简称为 SRF(Self-Resonant Frequency),从电感的模型章节我们知道,电感存在寄生电容,因此有个自谐振点,并且是串联谐振,在谐振点处,电感的阻抗最大,下图村田的某 10uH 电感的阻抗曲线,可以看到,大概在 35Mhz 处自谐振。在这里插入图片描述电感选型时,自谐振频率如何考虑呢?
      1、当电感用扼流圈使用时,如射频放大器输出端的直流供电电感时,应该让信号的最高频率在电感的自谐振频率处。
      2、在其它应用,滤波器电路,或者是匹配电路时,电感值在信号带宽内应该尽可能的恒定。此时,电感的自谐振频率要比信号最高频率高 10 倍。
    • Q 值
      电感 Q 值:也叫电感的品质因数,是衡量电感器件的主要参数。
      在这里插入图片描述
      频率较低时,寄生电容可忽略,无功功率主要由电感产生:
      在这里插入图片描述Q 是表示电感质量的一个重要参数。Q 值的大小,表明电感线圈损耗的大小,其 Q 值越大,线圈的损耗越小;反之,其损耗越大。下图为村田某 10uF 功率电感的 Q 值曲线。
      在这里插入图片描述根据使用场合的不同,对品质因数 Q 的要求也不同。
      Q 值的大小取决于实际应用,并不是越大越好。例如,如果设计一个宽带滤波器,过高的 Q 值如果不采取其他措施,将使带内平坦度变坏。在电源退耦电路中采用 LC 退耦应用时高 Q 值的电感和电容极容易产生自谐振状态,这样反倒不利于消除电源中的干扰噪声。反过来,对于振荡器我们希望有较高的 Q 值,Q 值越高对振荡器的频率稳定度和相位噪声越有利。
      实际上,Q 值的提高往往受到一些因素的限制,如导线的直流电阻、磁芯损耗和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。因此,线圈的 Q 值不可能做得很高,通常 Q 值为几十至一百,最高也只有四五百。

    电感的损耗

    • 导线电阻损耗
      导线电阻损耗会存在两种,一直是 DCR,一种是 ACR。
      DCR 为直流导通电阻。在开关电源中,电感的电流是交变的,或者可以理解为一个直流电流上面叠加一个交流电流。那个交流电流感受到的电阻就叫 ACR。
      电感用在交流电路中时,由于集肤效应,导体内部电流分布不均匀,集中在导线的表面,造成等效的导线截面积降低,进而使导线的等效电阻随频率提高。另外, 在一个导线绕组中,相邻的导线会因电流造成磁场的相加减,使得电流集中在导线邻近的表面(或最远的表面,视电流方向而定),同样造成等效导线截面积降低,等效电阻提高的现象,即所谓的邻近效应,在一个多层绕组的电感应用里,邻近效应更是明显。
      下图为绕线式 SMD 电感 NR4018T220M 的交流电阻与频率关系图。在频率为 1kHz 时,电阻约为360mΩ;到了 100kHz,电阻上升到 775mΩ;在 10MHz 时电阻值接近 160Ω。在估算铜损时,其计算须考虑集肤与邻近效应造成的 ACR。总损耗 P 为:
      在这里插入图片描述其中 IAC 为该频率下的有效值 RMS 电流,RAC 为该频率下的交流电阻。
      在这里插入图片描述
    • 磁芯损耗
      磁芯损耗主要由两种构成,磁滞损耗和涡流损耗。
      1 磁滞损耗
      磁芯在外磁场的作用下,材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动,这就是说当外磁场去掉时,磁畴仍能恢复原来的方向;而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,即当外磁场去除时,磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时,送到磁场的能量包含两部分:前者转为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗。
      在这里插入图片描述磁化磁芯一周期,单位体积磁芯损耗的能量正比于磁滞回线包围的面积。磁滞损耗,是不可恢复能量。每磁化一个周期,就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量,频率越高,损耗功率越大。磁感应摆幅越大,包围面积越大,损耗也越大。可恢复的能量部分表现在电路中是电感的储能和放能特性;不可恢复能量部分表现为磁芯损耗发热。
      .2 涡流损耗
      如下图,根据电磁感应定律,通电线圈产生磁场 B,如果电流是交变的,那么产生的磁场也是变化的。变化的磁场在磁芯上面产生电场 e,并且这个电场是环形电场。因为磁芯材料的电阻率一般不是无限大的,会有一定的电阻值,那么感生出的环形电场会使磁芯中形成环形电流。电流流过电阻,就会发热,产生损耗,这就是涡流损耗。
      在这里插入图片描述

    电感特性

    • 直流偏置特性
      电感的直流偏压特性,一般指的是电感量会随电流的增大而减小。
      一旦超过饱和电流,铁氧体铁芯的磁导率会陡降,而铁粉芯则可缓慢降低。这也解释了铁氧体铁芯电感,因磁导率在铁芯饱和时骤降。而有分布式气隙的粉末铁芯,磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降,因此电感量也降低得比较缓和,即有较好的直流偏置特性,如下图所示。
      在这里插入图片描述在电源转换器的应用中,此特性很重要。若电感的缓饱和特性不佳时,电感电流上升到达饱和电流,电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升,容易造成损坏。
    • 电感的频率特性
    • 电感的电感值随频率变化影响较小,在频率远小于谐振频率时,电感量可视为常数。
      下图为利用的 LCR 表量测 Taiyo 电感 NR4018T220M 之电感-频率特性图,如图所示,在 5 MHz 之前电感值的曲线较为平坦,电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升,此谐振频率称为自我谐振频率(selfresonant frequency:SRF),通常需远高于工作频率。
      在这里插入图片描述

    寄生电感

    我们经常在一些文章中看到寄生电感等字眼,比如芯片引脚电感,过孔电感,引线电感,这些都是寄生电感。它不是我们故意制造的,而是构建电路的过程中无意中形成的。
    这些寄生电感理解起来并不容易,因为我们通常理解电感都是以线圈,或者是闭合回路来说的。一段引线和过孔等,它们只是构成回路的一部分,然后我们却能通过公式计算出来它们的电感值,说明引线和过孔的电感是固定的,它与回路的其它部分没有关系。
    那么如何理解一段导线的电感呢?
    根据麦克斯韦方程组四个公式之一的磁生电公式:
    在这里插入图片描述
    通俗一点解释,就是任意取一个曲面,如果里面通过的磁感线数量发生变化,那么会在这个曲面感生出电场。
    在这里插入图片描述电流流过导线,会在导线的周围产生环形磁场。我们在通电导线上面和下面对称选两个面,假如电流在曲面 1 产生的磁场向上,那么在曲面 2 产生的磁场方向就是向下的,两者是相反的。如果电流减小,那么磁场 B 会减小,产生的环形电场如红色线圈,两个曲面的磁场方向不同,所以产生的环形电场是一个顺时针,一个逆时针。两个环形电场在导线处的叠加,电场方向就是沿导线向右的,也说明了此时是阻止电流变小的。
    总得来说,一段导线上如果有电流变化,那么会自己产生感应电动势阻止电流的变化,这不就是电感么。

    补充说明

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