器件选型是硬件工程师的基本工作,本文主要从电感的工艺和应用出发,介绍电感如何选型。
01电感的基本原理
电感、电容和电阻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: 
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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;
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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。

实际电感的特性不仅仅有电感的作用,还有其他因素,如:
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绕制线圈的导线不是理想导体,存在一定的电阻;
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电感的磁芯存在一定的热损耗;
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电感内部的导体之间存在着分布电容。

自谐振频率 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

0 2 电感的工艺结构
电感的工艺大致可以分为3种: 01绕线电感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 圆柱形绕法很常见,应用也很广,例如:


由公式可知,磁芯的磁导率越大,电感值越大,磁芯可以是:
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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
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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。
另外,在电源设计中,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。 02多层片状电感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。



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更小的尺寸,008004封装;
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更小的Value Step,0.1nH;
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更小的容差,0.05nH;
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更好的频率稳定性。
0 3 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。
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SEAT 2013 - TDK;
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Simsurfing - Murata;
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Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library。
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;
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高频电感:主要用于射频电路,实现偏置、匹配、滤波等电路。




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。 02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。

- 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;
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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。
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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;
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去耦电感可以绕制成较高感值,滤除低频噪声。


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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;
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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。
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:
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直流阻抗要低,不能对电压或有用信号产生较大影响;
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用于电源线的话,要考虑额定电压和电流,满足工作要求;
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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;
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差模阻抗要小,不能对差分信号的质量产生较大影响;
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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。

高频电感在射频电路中主要有以下几种作用:
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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;
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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;
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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;
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谐振(Resonance):与电容一起构成LC振荡电路,作为VCO的振荡源;
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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。
多层型 多层型通过烧结,形成一个整体结构,或叫独石型(Monolithic)。

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。

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。


选择高频电感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:
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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。
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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;
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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;
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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;
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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: 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。