【基础电子元件】电感

【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。

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)}L=di(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 fLXL​=2πfL​

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}Q=R2πfL​​

3.8 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 = jwLXL​=jwL​

容抗：X C = 1 j w C X_C = \frac{1}{jwC}XC​=jwC1​​

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。

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