【基础电子元件】电感电子世界里的三大被动元件电阻、电容、电感。今天我们主要聊聊电感。电感和电容也都是储能元件但是它们存储能量的逻辑不太一样电感更像是水库里面的大坝电流像是水流电流突变时大坝可以缓冲冲击不让水流瞬间暴涨而当水库放水时大坝可以维持水流平稳释放。又或者说电感像是自行车上面的飞轮我们刚骑起来的时候觉得吃力随着蹬了几次之后飞轮和车轮把动能存储起来松开脚不蹬飞轮的惯性也会推着自行车继续滑行一段距离。很多硬件新人第一次接触电感时容易觉得它有些抽象看起来只是一个线圈参数却一大堆在电源、电机、射频、滤波电路里都能看到它的身影。其实只要抓住一个核心电感的本质是储存磁场能量并阻碍电流变化后面的内容就容易理解很多。文章目录【基础电子元件】电感一、什么是电感1.1 电感电流为什么不能突变1.2 电感如何阻碍电流的变化二、电感分类2.1 按结构分类2.1.1 绕线电感2.1.2 叠层电感2.1.3 一体成型电感2.2 按用途分类2.2.1 功率电感2.2.2 滤波电感三、电感参数3.1 电感量3.2 额定电压3.3 额定电流3.4 饱和电流 Isat3.5 温升电流Irms3.6 直流电阻DCR3.7 Q值3.8 自谐振频率SRF一、什么是电感电感英文是Inductor通常用字母L表示单位是亨利 H。实际电路中常用的单位有H亨mH豪亨uH微亨nH纳亨且1H 10^3mH 10^6uH 10^9nH从结构上看电感通常是由导线绕成线圈有些电感中间还会加入磁芯。电流流过线圈时会在线圈周围产生磁场当电流发生变化时磁场也会变化进而产生一个反向电压来阻碍这种变化。电感是一种通过磁场储能并阻碍电流突变的元件。当电流想快速增加时电感会“拖住它”当电流想快速减小时电感又会“推它一把”。所以电感常常出现在需要平滑电流、储能转换、滤波抑制噪声的地方。1.1 电感电流为什么不能突变电感线圈产生的磁通总和为磁链Ψ \PsiΨ用来衡量电感线圈充磁多少。电流与磁链成正比电流越大电感线圈充磁链越多。公式Ψ \PsiΨ L * I 其微分形式为L d Ψ ( t ) d i ( t ) L \frac{d\Psi(t)}{di(t)}Ldi(t)dΨ(t)又根据法拉第电磁感应原理磁链变化产生感应电压公式v ( t ) d Ψ ( t ) d t v(t) \frac{d\Psi(t)}{dt}v(t)dtdΨ(t)联立上述两个公式得到电感得伏安特性v ( t ) L d i ( t ) d t v(t) L\frac{di(t)}{dt}v(t)Ldtdi(t)可以看出电感与电流得时间变化成正比。假设电感电流发生突变想象时间变化趋近于无穷小那么电流变化率d i ( t ) d t \frac{di(t)}{dt}dtdi(t)将趋近于无穷大那么对应得感应电压就会趋近于无穷大。但实际电路中不存在无穷大电压的条件。因此电感电流无法发生突变。PS根据这个公式我们还可以看出什么当电感两端给定一个恒定电压时电感值不会改变那么 di(t)/dt 就是一个常数。可以说电感的电流是线性变化的。也就说明了为什么DCDC电路中电感电流波形是三角波。这也是造成输出纹波的来源之一。1.2 电感如何阻碍电流的变化新人很容易把电感理解成“阻碍电流的东西”但更准确地说电感阻碍的是电流的变化。这点非常关键。对于直流来说如果电流已经稳定理想电感就像一根导线几乎不产生阻碍。对于交流来说因为电流一直在变化电感就会表现出阻抗而且频率越高阻碍越明显。电感的感抗公式是X L 2 π f L X_L 2\pi fLXL2πfL其中(X_L)感抗(f)频率(L)电感量从公式可以看出频率越高电感量越大感抗越大。这也是为什么电感常用于滤波。它对低频和直流比较“宽容”对高频噪声比较“严厉”。二、电感分类电感的种类很多可以按结构、用途、材料等方式分类。这里举例一些常见的后续在做延申。2.1 按结构分类2.1.1 绕线电感绕线电感就是在磁芯基体上用导线一圈圈缠绕成线圈是最直观的一类电感。比如色环电感、工字电感等都是。常见应用DCDC电源、滤波电路、储能电路等。特点一般是插件体积较大电流能力强。2.1.2 叠层电感叠层电感常见于小贴片器件中内部通过多层材料堆叠形成电感。可以想象成 “多层夹心饼干”每一层都有导电路径。常见应用手机、小型消费电子、高频信号滤波、蓝牙模块等。特点体积小一致性好。2.1.3 一体成型电感一体成型电感可以看作“压缩饼干版本的电感”线圈和磁性材料被整体压制成型结构结实、紧凑、可靠。常见应用DCDC电源、车载电子、工业电源。特点电流能力好磁屏蔽效果好机械强度高。扁线大电流一体成型电感我们有时还会看到这种像臭豆腐一样的电感。其核心差异在 内部绕线 是扁平铜带。过电流的能力更强体积可以做的更小。2.2 按用途分类2.2.1 功率电感常用在电源转换电路比如Buck、Boost等等作为能量中转仓。刚才提到的一体成型也是功率电感。2.2.2 滤波电感用于抑制噪声让电流或信号更平滑。常见应用EMI滤波、电源输入滤波、信号滤波、LC滤波器等。三、电感参数3.1 电感量在本文开头有讲电感的符号“L”单位亨(H)电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的情况下以100KHz(或1MHz)所测的。可以把电感量理解成汽车的“惯性大小”惯性越大速度越不容易改变。3.2 额定电压有些电感尤其是用于高压或接口滤波场景的电感需要关注额定电压和绝缘能力。虽然电感不像电容那样经常强调耐压但在高压、隔离、安全相关设计中额定电压仍然不可忽视。3.3 额定电流额定电流表示电感在正常工作条件下能够承受的电流范围。通常是取 饱和电流 和 温升电流 中相对小的那个。一般设计时需要预留20%的预留比如预期流过3A。那么额定电流最好3.8A。3.4 饱和电流 Isat电感我们在用的时候最经常提到的一个关键词饱和。那么饱和到底时什么我们知道 电感会产生电磁感应效应电流通过时形成磁场。当电流超过一定值时磁芯就像“海绵吸满了水”再也装不下更多磁能也就是产生磁饱和现象电感在会下降。电感一旦下降电流就会急剧上升电感储能的作用就会消失那么你原来设计的电路功能 可能就要失效了。严重时损坏器件。所以在选型电感时饱和电流是一定要留足够的裕量确保电感的特性不失效。电感饱和电流应大于电路中的峰值电流并留出一定安全裕量。3.5 温升电流Irms电感不是理想器件它的线圈有电阻电流通过就会产生发热温度上升到一定值时电感也会失效。温升电流一般指的是 电感自身温度不超过40℃时的电流。3.6 直流电阻DCR刚才讲到电感线圈有电阻通常称 DCR这个数值越大损耗越大发热越严重效率越低。通常电感值越大DCR自然会升高。我们选型时首先满足电感要求电流要求然后DCR中选相对较小的型号。3.7 Q值电感的品质因数可以理解为电感有多像“理想电感”Q值越高损耗越小储能能力越强。Q值会因为频率和材料的不同而变化。公式Q 2 π f L R Q \frac{2\pi fL}{R}QR2πfL3.8 自谐振频率SRF电感并不是在所有频率下都像电感。电感内部也存在寄生电容其电路模型就是 一个电容 并联 一个电容。那么当频率达到某一个点时电感和寄生电容就会产生谐振这个频率叫自谐振频率SRF。在 SRF 以下器件主要表现为电感特性。在 SRF 以上器件可能更像电容。为什么呢因为我们知道感抗X L j w L X_L jwLXLjwL容抗X C 1 j w C X_C \frac{1}{jwC}XCjwC1频率越高 电感的阻性越强电容特性逐渐显现。所以在高频电路中工作频率要低于电感的自谐振频率。那么看到这里的你实在太棒了! 请继续加油~
的深度解析)
