電感是什麼?

電感(Inductor)是“能把電能暫時轉換成磁能、又能把磁能重新轉換成電能”的被動元件。

核心公式

V=-L*di/dt

L:電感量,單位(H)

di/dt:電流隨時間的變化率

-:楞次定律

作用

(1)儲能:開關導通期間“蓄磁”,關斷後向負載續流,實現能量搬移。

(2)濾波:與電容組成LC網絡,抑制紋波或高頻干擾。

(3)阻抗匹配:利用感抗XL=2πfL與電容形成諧振,實現選頻、阻抗變換。

(4)抑制突變:利用“電流不能突變特性”,限制di/dt,保護開關管/驅動管。

電感在選型時要看哪些參數(以Bourns電感為例)?

(1)電感量(L)

電感對電流變化的阻礙能力,單位H。

電子元器件基礎知識:電感的結構和特性_51CTO博客_#嵌入式硬件

(2)直流電阻(DCR)

電感導線在直流下的純歐姆電阻,導致熱損耗。

電子元器件基礎知識:電感的結構和特性_51CTO博客_差分_02

(3)飽和電流(Isat)

電感量因磁芯飽和而下跌到標稱值 80 % 時所對應的直流電流。

電子元器件基礎知識:電感的結構和特性_51CTO博客_阻抗匹配_03

(4)額定温升電流(Irms)

使電感本體温度比環境温度高 40 °C 時所允許持續流過的有效值電流。

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(5)自諧振頻率(SRF)

電感與其自身寄生電容發生並聯諧振、阻抗達到最大時的頻率;超過該頻率電感“變成電容”。

電子元器件基礎知識:電感的結構和特性_51CTO博客_阻抗匹配_05

(6)品質因數(Q)

在指定頻率下,感抗 XL 與等效串聯交流電阻 Rac 的比值,越高表示儲能與損耗的比值越大。

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(7)磁芯材料

決定電感量、飽和特性、頻率特性及温度穩定性的“磁性骨架”種類。

(8)散熱/封裝

把線圈固定成可焊接器件的外形尺寸及熱阻,直接影響板級散熱與銅皮面積需求。

**注意

(1)Isat與Irms同時確定一個型號

(2)關注電感温漂

(3)關注SRF,防止變電容

(4)注意散熱導致的降額

電感的作用

Buck降壓

作用:儲能+濾波,將方波能量“抹平”

舉例:(以24V→5V/3A的Buck為例)

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(1)電感量

取fsw=500kHz,ΔIripple=30%*3A=0.9A

L≈(Vout*(Vin-Vout))/(Vin*fsw*ΔIripple)≈8.3uH,取標準值10uH。

(2)峯值電流

Ipeak=Iload+ΔIripple/2=3+0.45=3.45A

Isat≥1.3*Ipeak≈4.5A

(3)看Irms與DCR

選Irms≥3A,DCR≤30mΩ(銅損≈I²R=0.27W)

(4)高頻特性

開關頻率500kHz,選SRF≥3*0.5MHz=1.5MHz;Q在500kHz處≥10即可。

**Q值怎麼算?

Rac(串聯等效電阻)=XL/Q

XL=2πfl=2*3.14*500kHz*10uH≈31Ω

Pac(ac損耗)=Irms²*rac,Irms≈0.26A,此時Pac=0.26²*31/Q=2/Q

功率損耗=2/Q/(5V*3A)=2/15Q(此時當Q取10時,損耗為1.3%,完全可接受)

(5)熱驗證

測量電感表面温升,若≥40%,換更大封裝或更低DCR型號。

Bost升壓

作用:儲能把低電壓升高

舉例:(以12V→24V/1A,300kHz的Boost為例)

電子元器件基礎知識:電感的結構和特性_51CTO博客_封裝_08

(1)電感量

D(佔空比)=(Vout-Vin)/Vout=(24-12)/24=0.5

IL,avg(平均電感電流)=Iout/(1-D)=1A/(1-0.5)=2A

ΔIL(紋波電流)=k(取0.25經驗值)*IL,avg=0.25*2A=0.5A

L=Vin*D/(ΔIL*fsw)=12V*0.5/(0.5A*300kHz)=40uH

取標稱39uH電感

(2)峯值電流

IL,peak=2A+0.25A(紋波電流/2)=2.25A

(3)飽和電流

Isat≥0.3*2.25A≈2.9A

(4)温升電流

Irms≥2A

(5)高頻特性

SRF≥3*0.3MHz=0.9MHz

射頻 LC 諧振(天線輸出匹配)

應用場合:

Wi-Fi、藍牙、ZigBee、GNSS 等 GHz 射頻前端,PA 輸出到天線之間。

電感作用:

與微帶/電容組成 π 型、L 型網絡,把 50 Ω 饋線阻抗變換到天線所需復阻抗(如 30+j20 Ω),實現共軛匹配,最大化功率輻射。

關鍵參數:

電感量:nH 級,誤差 ±2 %(高頻敏感)。

Q@工作頻率:≥ 30(低 Rac 減少插入損耗)。

SRF:≥ 3×f0(防自諧成“電容”)。

封裝:0402/0603,可 50 Ω 線直連,減小寄生。

EMI 共模扼流(USB 數據線濾波)

應用場合:

USB2.0/3.x、HDMI、CAN、LVDS 等高速差分線,靠近插座/連接器。

電感作用:

對共模噪聲呈現高阻抗(>>200 Ω@100 MHz),把 USB 3.2 的 5 GHz 諧波、PC 時鐘泄漏等“同相”干擾攔住;差分信號幾乎無衰減,保信號完整度。

關鍵參數:

共模阻抗 |ZCM|:200-600 Ω@100 MHz(視所需衰減)。

漏感(差模阻抗):

額定電流:≥ 500 mA(USB2.0 High-Speed)或 ≥ 1 A(Type-C 5 V/3 A)。

封裝:5×5 mm 以下,高度 ≤2 mm,貼板邊。

無線充電發射線圈(Qi 5 W)

應用場合:

Qi 標準手機充電器、車載 pad、TWS 耳機倉。

電感作用:

與諧振電容 Cres 組成 100 kHz 串聯諧振,把 DC 逆變的方波變成正弦,建立交變磁場;通過互感給接收線圈“隔空”送 5 W。

關鍵參數:

線圈電感量:24-30 µH(Qi 定義 100 kHz±5 %)。

Q@100 kHz:≥ 30(利茲線/多股線降趨膚損耗)。

Isat:≥ 5 A(5 W 級別峯值電流)。

外徑/厚度:Φ50 mm×2 mm 常見,需與磁吸/鋁殼兼容。

繼電器線圈續流(尖峯吸收)

應用場合:

汽車、工業 PLC、家電板上的 12 V/24 V 繼電器、電磁閥、電機繞組。

電感作用:

開關關斷瞬間提供“續流回路”,把線圈儲能通過二極管/TVS 泄放,避免 >100 V 反向尖峯擊穿驅動 MOS 或 MCU。

關鍵參數:

線圈電感量:由繼電器本身決定(幾十-幾百 mH)。

二極管:反向耐壓 ≥ 1.5×VCC,電流 ≥ 線圈穩態電流。

響應速度:若需快速釋放,可用 TVS+電阻,或齊納二極管反向擊穿 30-33 V。