電感是開關電源中必不可少的器件之一，涉及到磁的理論知識；AC/DC用到的電感有：EMI濾波電感，PFC電感、輸出濾波電感、反激變壓器（實為耦合電感）；板上DC/DC用到的電感多為EMI濾波電感、BUCK輸出電感、Boost輸入電感等；

電感的性能參數

電感的基本原理

電感的功能就是以磁場能的形式儲存電能量。以圓柱型線圈為例，簡單介紹下電感的基本原理,

如上圖所示，當恒定電流流過線圈時，根據右手螺旋定則，會形成一個圖示方向的靜磁場。而電感中流過交變電流，產生的磁場就是交變磁場，變化的磁場產生電場，線圈上就有感應電動勢，產生感應電流：

電流變大時，磁場變強，磁場變化的方向與原磁場方向相同，根據楞次定律，產生的感應電流與原電流方向相反，電感電流減小；

電流變小時，磁場變弱，磁場變化的方向與原磁場方向相反，根據楞次定律，產生的感應電流與原電流方向相同，電感電流變大。

最終效果就是電感會阻礙流過的電流產生變化，就是電感對交變電流呈高阻抗。同樣的電感，電流變化率越高，產生的感應電流越大，那么電感呈現的阻抗就越高；如果同樣的電流變化率，不同的電感，如果產生的感應電流越大，那么電感呈現的阻抗就越高。

所以，電感的阻抗于兩個因素有關：一是頻率；二是電感的固有屬性，也就電感的值，也稱為電感。根據理論推導，圓柱形線圈的電感公式如下：

電感的等效模型

對于實際的電感而言，實際電感的特性不僅僅有電感的作用，還有其他因素，如：繞制線圈的導線不是理想導體，存在一定的電阻；電感的磁芯存在一定的熱損耗；電感內部的導體之間存在著分布電容。

因此，需要用一個較為復雜的模型來表示實際電感，常用的等效模型如下：

自諧振頻率

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)：由于Cp的存在，與L一起構成了一個諧振電路，其諧振頻率便是電感的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電感的阻抗隨著頻率增加而變大；在自諧振頻率后，電感的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現容性。

品質因素

-品質因素(Quality Factor)：也就是電感的Q值，電感儲存功率與損耗功率的比，Q值越高，電感的損耗越低，和電感的直流阻抗直接相關的參數。自諧振頻率和Q值是高頻電感的關鍵參數.

Q=ωLrQ=rωL

ωω：角頻率；L:電感值；r:等效電阻

電感尺寸

電感尺寸長*寬*高：正比于L?I2L?I2

L?I2=LI?I=N?B?Ae?H?Ie/N=B?B?Ae?Ie/UL?I2=LI?I=N?B?Ae?H?Ie/N=B?B?Ae?Ie/U

如何減小尺寸：

高頻--電感量小

多相--L(I22)+L(I22)=0.5L?I2L(2I2)+L(2I2)=0.5L?I2

額定電流(溫升電流)

當電感有電流通過的時候，由于損耗的存在，電感發熱而產生溫升，電流越大，溫升越大；在額定的溫度范圍內，允許的最大電流即為溫升電流。

額定電流(溫升電流)通常指線圈溫升40℃得到的直流電流值，該電流值和封裝成正比，和DCR成反比

溫升電流是對電感熱效應的評估，根據焦耳定律，熱效應需要考慮一段時間內的電流對時間的積分；選擇電感時，設計RMS電流不能超過電感溫升電流。

電感量

電感量是衡量電流產生磁通能力的一個參數，通常有20%的誤差

引入磁阻的概念：

Rm=Ie/(U0?Ur?Ae)?L=N2?U0?Ur?Ae/IeRm=Ie/(U0?Ur?Ae)?L=N2?U0?Ur?Ae/Ie

Lg=N2?U0?Ae/IG(鐵氧體磁芯開氣隙電感量)Lg=N2?U0?Ae/IG(鐵氧體磁芯開氣隙電感量)

對于DCDC芯片所使用的電感而言，電感值越大，紋波越小，但尺寸會變大；通常提高開關頻率，可以使用小電感，但開關頻率提高會增加系統損耗，降低效率

飽和電流

增加磁芯的磁導率，可以提高電感值，通常使用鐵磁性材料做磁芯。鐵磁性材料存在磁飽和現象，即當磁場強度超過一定值時，磁感應強度不在增加，即磁導率下降了，也就是電感下降了。在額定電感值范圍內，允許的最大電流即為飽和電流。

飽和電流通常是額定電流的1.3-1.5倍；飽和電流是指在該電流下電感量下降了額定值的30%；

為了保證在設計范圍內電感值穩定，設計峰值電流不能超過電感的飽和電流。為了提高可靠性，降額設計是必須的，通常建議工作值應降額到不高于額定值的80%

直流阻抗(DCR)

直流阻抗(DCR)就是指電感線圈的阻抗，規格書是25℃的測量值，該阻抗是正溫度系數。

電感的種類

－電感根據工藝結構的差別，大體可分為三類

繞線電感(Wire Wound Type)

繞線電感(Wire Wound Type)，顧名思義就是把銅線繞在一個磁芯上形成一個線圈，繞線的方式有兩種：圓柱形繞法(Round Wound)和平面形繞法(Flat Wound)

其采用的磁芯可以是：

非磁性材料：例如空氣芯、陶瓷芯，貌似就不能叫磁芯了；這樣電感值較小，但是基本不存在飽和電流

鐵磁性材料：例如鐵氧體、波莫合金等等；合金磁導率比鐵氧體大；鐵磁性材料存在磁飽和現象，有飽和電流。

繞線電感可提供大電流、高感值；磁芯磁導率越大，同樣的感值，繞線就少，繞線少就能降低直流電阻；同樣的尺寸，繞線少可以繞粗，提高電流。

多層片狀電感(Multilayer Type)

多層片狀電感(Multilayer Type)的制作工藝：將鐵氧體或陶瓷漿料干燥成型，交替印刷導電漿料，最后疊層、燒結成一體化結構(Monolithic)。

多層片狀電感的比繞線電感尺寸小，標準化封裝，適合自動化高密度貼裝；一體化結構，可靠性高，耐熱性好。

薄膜電感(Thin Film Type)

薄膜電感采用的是類似于IC制作的工藝，在基底上鍍一層導體膜，然后采用光刻工藝形成線圈，最后增加介質層、絕緣層、電極層，封裝成型。

薄膜器件的制作工藝，如下圖所示：

光刻工藝的精度很高，制作出來的線條更窄、邊緣更清晰。因此，薄膜電感具有：更小的尺寸，008004封裝；更小的Value Step，0.1nH；更小的容差，0.05nH；更好的頻率穩定性

電感的應用

功率電感

功率電感通常用于DC-DC電路中，通過積累并釋放能量來保持連續的電流。功率電感大都是繞線電感，可以提高大電流、高電感。

多層片狀功率電感也越來越多，通常電感值和電流都較低，優點是成本較低、體積超小，在手機等空間限制較大的產品中有較多應用。

功率電感需要根據所選的DCDC芯片來選型。通常，DCDC芯片的規格書上都有推薦的電感值，以及相關參數的計算，這里不再贅述。

去耦電感

去耦電感也叫Choke，教科書上通常翻譯成扼流圈。去耦電感的作用是濾除線路上的干擾，屬于EMC器件，EMC工程師主要用來解決產品的輻射發射(RE)和傳導發射(CE)的測試問題。去耦電感，通常結構比較簡單，大都是銅絲直接繞在鐵氧體環上。可以分為差模電感和共模電感。

差模電感

差模電感就是普通的繞線電感，用于濾除一些差模干擾，主要就是與電容一起構成LC濾波器，減小電源噪聲。

選擇差模電感需要注意一下幾點：

直流電阻、額定電壓和電流，要滿足工作要求；

結構尺寸滿足產品要求；

通過測試確定噪聲的頻段，根據電感的阻抗曲線選擇電感；

設計LC濾波器，可以做簡單的計算和仿真。

共模電感

共模電感就是在同一個鐵氧體環上繞制兩個匝數相同、繞向相反的線圈。

當有共模成分流過共模電感時，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相同的磁場，相互加強，相當于對共模信號存在較高的感抗；當有差模成分流過共模電感時，根據右手定則，會在兩個線圈形成方向相反的磁場，相互抵消，相當于對差模信號存在較低的感抗。

換一個方式理解：當V+上流過一個頻率的共模干擾，形成的交變磁場，會在另一個線圈上形成一個感應電流，根據左手定則，感應電流的方向與V-上共模干擾的方向相反，就抵消了一部分，減小了共模干擾。

共模電感主要用于雙線或者差分系統，如220V市電、CAN總線、USB信號、HDMI信號等等。用于濾除共模干擾，同時有用的差分信號衰減較小。

共模電感選型需要注意一下幾點：

直流阻抗要低，不能對電壓或有用信號產生較大影響；

用于電源線的話，要考慮額定電壓和電流，滿足工作要求；

通過測試確定共模干擾的頻段，在該頻段內共模阻抗應該較高；、

差模阻抗要小，不能對差分信號的質量產生較大影響；

考慮封裝尺寸，做兼容性設計。例如用于USB信號的共模電感，選擇封裝可以與兩個0402的電阻做兼容，不需要共模電感時，可以直接焊0402電阻，降低成本。

高頻電感

高頻電感主要應用于手機、無線路由器等產品的射頻電路中，從100MHz到6GHz都有應用。高頻電感在射頻電路中主要有以下幾種作用：

匹配(Matching)：與電容一起組成匹配網絡，消除器件與傳輸線之間的阻抗失配，減小反射和損耗；

濾波(Filter)：與電容一起組成LC濾波器，濾出一些不想要的頻率成分，防止干擾器件工作；

隔離交流(Choke)：在PA等有源射頻電路中，將射頻信號與直流偏置和直流電源隔離；

諧振(Resonance)：與電容一起構成LC振蕩電路，作為VCO的振蕩源；

巴侖(Balun)：即平衡不平衡轉換，與電容一起構成LC巴侖，實現單端射頻信號與差分信號之間的轉換。

選擇高頻電感時，除了需要確定電感值、額定電流、工作溫度、封裝尺寸外，還要關注自諧振頻率、Q值、電感值容差、電感值頻率穩定性。

之前介紹的三種結構，都可以用來制作高頻電感，下面介紹下他們的特點：

多層型

多層型通過燒結，形成一個整體結構，或叫獨石型(Monolithic)

多層片狀電感的，相比于其他兩種就是Q值最低，最大的優勢就是成本低，性價比高，適合于大多數沒有特殊要求的應用。TDK和Taiyo Yuden的高頻電感都只有多層型，沒有繞線型和薄膜型。TDK的MLK系列、Murata的LQG系列、Taiyo Yuden的HK系列，這三個系列的產品基本一樣，最便宜，性價比高。

當然隨著工藝技術的提升，現在也有高Q值系列的多層片狀電感，例如TDK的MHQ系列、太陽誘電的HKQ系列。

TDK的多層電感做的更好更全，還有一個MLG系列，有0402封裝，感值可以做0.3nH，Value Step 0.1nH，容差0.1nH，接近薄膜電感的性能，價格還便宜。

繞線型

隨著現在的工藝水平已經越來越高，繞線電感也可以做到0402封裝。

繞線型工藝，其導線可以做到比多層和薄膜結構粗，因此可以獲得極低的直流電阻。也意味著極高的Q值，同時可以支持較大的電流。將無磁性的陶瓷芯換成鐵氧體磁芯，可以得到較高的感值，可以應用與中頻。

Murata的LQW系列可以做到03015封裝，最小感值1.1nH；Coilcraft的0201DS系列，可以做到0201封裝，號稱世界上最小的繞線電感。

薄膜型

采用光刻工藝，工藝精度極高，因此電感值可以做到很小，尺寸也可以做到很小，精度高，感值穩定，Q值較高。

Murata的LQP系列，可以做到01005封裝，高精度產品的容差可以做到0.05nH，最小感值可以到0.1nH，這三個參數值可以說是當前電感的極限了。其他，像Abracon的ATFC-0201HQ系列也可以做到最小0.1nH。

Murata有三種工藝的高頻電感，選擇了同感值(1.5nH)、同封裝、同容差的電感對比。

可以看出繞線型的Q值明顯高于其他兩種，而薄膜型的電感值的頻率穩定性高于其他兩種。當然，多層型的成本明顯低于其他兩種。