1. 什么是电感, 什么是电感器

很多人会将’电感’和’电感器’的概念混淆, 实际我们所说的Inductor称做‘电感器’更为贴切。

  • 电感
    电感（Inductance）是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变，是‘电磁感应’现象的简称。
  • 电感器
    电感器（Inductor）是一种电路元器件，会因为通过的电流的改变而产生电动势，从而抵抗电流的改变。
    电感器一词，通常只用来称呼以自感或其效应为主要工作情况的器件。非以自感为主的，习惯上大多称呼它的其他名称，平常不以电感器称呼，例如：变压器、马达里的电磁线圈绕组等。

2. 电感器的分类

常见的分类方式有如下几种：

  • 按用途分类
  • 按生产工艺分类
  • 按贴装方式分类

2.1 按用途分类

2.1.1 高频电感器（RF Inductor）

高频电感器，也叫射频电感器、RF电感器，主要是指用于射频电路或信号线路的电感器。
高频电感器主要有如下特点：

  • 用于高频信号线：用在高频信号线的电感称为‘高频电感器’，也叫作‘射频电感’或‘RF电感器’。
  • 白色：这类电感器的芯体通常呈现出白色，原因是常见的芯体材料是‘氧化铝’，即最常见的陶瓷材料。
  • 空芯线圈：高频电感器本质上是空芯线圈 - 线圈绕在‘氧化铝’陶瓷材料制成的芯体上，芯体的主要作用是固定线圈，使整体结构稳定不易变形，同时使电感器具备高频特性。
  • 小尺寸：高频电感器仅需要通过很小的电流（电信号），所以一般都是很小尺寸的，并且在将来趋势上会越来越小。
  • 精度高：由于没有铁氧体磁芯，其电感属性仅靠自身的线圈来产生，电感量的公差较为容易控制。由于多用于射频信号的匹配电路，如果公差过大，可能会导致信号有好有差，甚至出现信号丢失的现象。其精度-电感量公差基本上都在±5%以内，甚至±1%以内。

Tips：不同品牌或不同系列的高频电感器即便是参数一致也不要做直接替换，一定要验证、验证、验证。


常见高频电感器的外观（来自Murata公司）

2.1.2 功率电感器（Power Inductor）

功率电感器，也叫Power Inductor，主要是指用于电源电路的电感器。
功率电感器主要有如下特点：

  • 用于电源线路：功率电感器主要用于电源线路
  • 深色：芯体材料大多呈现黑色或褐色，其原因是常见的芯体材料主要成分是‘铁氧体’即‘氧化铁’。
  • 线圈绕在‘磁芯’上：线圈中心插入了含‘铁氧体’的磁芯，作用是使其电感属性得到加强，电感值增大。
  • 尺寸一般比高频电感器大：为了追求低损耗、大电流，往往需要用更粗的线圈绕制，所以有很多较大尺寸的功率电感器；由于近年来手机等领域追求小型化的设计，各电感器品牌厂商也在绞尽脑汁更新设计，以在满足客户要求的前提下尽量缩减尺寸。
  • 精度低：与高频电感器相反，由于铁氧体磁芯的插入以及铁氧体屏蔽罩的加入，使其电感属性得到加强、电感值得到增加。但是会增加一些新的物理公差包含但不限于：铁氧体磁芯本身尺寸公差、组装位置公差、材料磁导率公差等，使其精度比高频电感难控制。其精度-电感量公差基本上都在±10%以上，甚至一些小感值的公差达到±30%。虽然精度低，但是其使用场景往往不需要高精度。

功率电感器又可以分为：

  • 屏蔽型电感器（Shielded Power Inductor）
  • 非屏蔽型电感器（Un-Shielded Power Inductor）
    主要区别如下：

Tips 1：不同品牌或不同系列的功率电感器参数接近的话可以做直接替换。

Tips 2：尽量选择屏蔽型电感器（Shielded Power Inductor），以降低对周边电路的干扰。


常见功率电感器的外观（来自Murata公司）

2.1.3 磁珠（Ferrite Bead）

磁珠全称叫铁氧体磁珠，也是属于电感器的一种，在客户需求端的引导下特别调整材料和结构，使其展现出多种多样的阻抗频率特性。
磁珠的主要特点：

  • 滤波：用于信号线或电源线，起到滤波的作用。
  • 深色：芯体材料大多呈现黑色或褐色，其原因是常见的芯体材料主要成分是‘氧化铁’。
  • 线圈绕在‘磁芯’上：线圈中心插入了含‘铁氧体’的磁芯，作用是使其电感属性得到加强。
  • 多样化的阻抗频率曲线：调整材料配方及产品结构，从而产生不同的阻抗频率曲线，以满足客户使用要求。
  • 精度低：与功率电感器相同，由于铁氧体磁芯的插入以及铁氧体屏蔽罩的加入，使其电感熟悉得到加强、阻抗值得到增加。但是会增加一些新的物理公差包含但不限于：铁氧体磁芯本身尺寸公差、组装位置公差、材料磁导率公差等，使其精度比高频电感难控制。而且其使用场景往往不需要高精度，业内标准精度是±25%。


常见功率电感器的外观（来自WE公司）

Tips：不同品牌或不同系列的铁氧体磁珠参数接近的话可以做直接替换。

2.2 按生产工艺分类

2.2.1 绕线电感器

绕线电感器的线圈是通过缠绕的方式绕在陶瓷或铁氧体芯体上，线圈一般是采用漆包铜线。


绕线电感器的外观（来自Murata公司）

2.2.2 叠层电感器

叠层电感器的线圈是通过印刷的形式印刷在每一层上，叠层压合在一起，形成内部线圈。


叠层电感器的外观（来自Murata公司）

2.2.3 薄膜电感器

薄膜电感器的线圈是通过蚀刻的形式蚀刻在薄膜（Film）上，再将该线圈贴到陶瓷基座上固定。


薄膜电感器的外观（来自Murata公司）

2.2.4 其它电感器

还有一些其它的电感器，如：

  • 一体成型电感器
  • 磁环式电感器
  • 色码电感器
  • NR型电感器（导磁胶屏蔽型）
    这些电感器也可以归类为‘绕线电感器’，故在此就不做赘述。

2.3 电感器的材料

2.3.1 线圈（Coil）

构成线圈的主要材料有：

  • 银 - 主要在叠层电感中使用
  • 铜 - 主要在绕线电感中使用

2.3.2 芯体（Core）

构成芯体的主要材料有：

  • 氧化铝陶瓷 - 主要用于高频电感，不含铁元素，磁导率几乎为1(非铁磁物质的磁导率都近似于真空磁导率4π×10^(-7)H/m，也就是相对磁导率1。)，主要起固定线圈的作用。
  • 镍锌铁氧体 - 功率电感中应用最广的材料，满足较宽的使用频率范围。
  • 锰锌铁氧体 - 磁导率>镍锌铁氧体，使用频率较低，随着开关频率的提高越来越少见。
  • 铁硅铝合金 - 磁环和一体成型电感广泛使用。
  • 铁粉芯 - 磁环中常用，用于低频电路。


各材料的阻抗vs频率特性（来自WE公司）

2.3.3 屏蔽罩（Sleeve Cover)

屏蔽型电感器（Shielded Power Inductor）会含有屏蔽罩，其主要材质有：

  • 镍锌铁氧体 - 最常用，一般和同样材质的磁芯配套使用。
  • 锰锌铁氧体 - 近年来多用于NR型电感的屏蔽罩。

2.3.4 电极端（Terminal）

  • 银->镀镍->再镀锡 - 多用于电极端与磁芯在一体的设计
  • 铜->镀镍->再镀锡 - 多用于电极端与磁芯分体的组装式设计

2.3.5 电感器的品牌

电感器的品牌众多，在此列举一些常见的品牌，以及该品牌的优势。（注：仅代表作者本人的个人观点）

日系品牌

  • 村田（Murata）- 射频领域的标杆，SAW Filter + RF Inductor的组合，使得大多数射频电路的原始设计都是采用村田品牌。
  • TDK（东电化）- 铁氧体材料的王者，从材料开发到电感器制作全封闭式链路，使得TDK的功率电感成为高可靠性和高性能的代表，汽车电子中广泛应用。
  • 太阳诱电（Taiyo-Yuden）- NR电感的发明者，实现了功率电感的全自动化生产。
  • 胜美达 （Sumida）- 曾经组装式电感的黄埔军校，如今已经逐渐淡出历史舞台。

美系品牌

  • 线艺（Coilcraft）- 高频绕线电感的发明者，线艺发明的许多电感设计现都已成为行业标准。由于性价比较低，在中国市场很少见到。
  • 威世（Vishay）- 一体成型大电流电感的发明者，由于专利过期，逐渐被国产取代。

台系品牌

  • 乾坤（Cyntec）- 最早量产一体成型电感的厂商。
  • 齐立新（Chilisin）- 平平无奇的厂商。
  • 台庆（Tai-Tech）- 爱杀价的厂商。

德系品牌

  • 伍尔特（Wurth）- 没有什么优势，但又经常见到。

中国品牌

  • 顺络（Sunlord）- 交货周期快，性价比也不错，日系品牌的很好替代者。
  • 麦捷（Microgate）- 平平无奇的厂商。

电感器品牌推荐

电感器代理商推荐

针对上述推荐品牌，罗列出一些优秀的代理商：

4. 电感器的主要参数及定义

4.1 电感量L - 单位：H, mH, μH, nH…

电感量L

电感量通常以字母L标记，以纪念物理学家海因里希·楞次（Heinrich Lenz）。电感的单位是亨利（Henry），标记为H，以纪念科学家约瑟·亨利（Joseph Henry）。

电感量不是一个恒定值，它会随着电路里电压频率的变化而变化，严谨一点来讲，电感量L应该称作在某一频率的电感量更为贴切。


SLF7045系列电感量vs频率曲线图（来自TDK公司）

常见电感器的测试频率：

  • 高频电感器：100MHz
  • 功率电感器：100KHz
  • 磁珠：100MHz

电感器经过电路里电压的频率为0的时候，即通过直流（DC）的时候，不表现出任何电感属性（感抗），仅相当于一根把线圈拉直的导线。电感器的‘通直流、阻交流’作用指的就是这个意思。

电感量L与电感器物理参数的经验公式（功率电感适用，低频范围内较为稳定）：

L=k∗μ∗n2∗S∗1lL=k * \mu * n^2 * S * \frac{1}{l}

k：长冈系数（k）是由物理学者长冈半太郎博士引进的，是对线圈形状的修正系数。在截面积的半径为r、长度为l的线圈中，长冈系数为如下图表所示。2r/ｌ=0为无限长的线圈，其长冈系数为1，有限长度的线圈不足1。意思是如果截面积相同，则长度越短电感越低。

μ：芯体的磁导率（芯体聚集磁力线的强度）
n：线圈的匝数
S：线圈的截面积（磁力线经过的面积）
l：线圈的长度

Tips：如果是同一系列的电感器，由于材料和尺寸是一样的，对电感值起决定因素的就是线圈的匝数n，而且是平方比的关系。

电感量的单位和换算关系

电感量的单位是亨（H），其各衍生单位之间的换算关系如下：

1H=103mH=106μH=109nH 1H = 10^3 mH = 10^6 \mu H = 10^9 nH

即：H、mH、μH、nH之间的换算关系是10的三次方=1000倍的关系。

高频电感多以nH来标识，功率电感多以μH来标识。

常见、常规、常用的电感量

高频电感：E24系列里选取

功率电感：E6系列里选取

E6、E12、E24系列数字（来自Denovo公司）

需要注意的是，E系列数字小数点可以移位，如：1.0，1.5，3.3，4.7，6.8照样属于E6系列。

即使原厂规格书里面存在的一些特殊电感量（脱离E系列数字的电感量），尽量谨慎选取，以免量产时拿不到货。

延展阅读：什么是E系列数字

E系列数字

E系列最早是在1948到1950年之间提出的，其扩展版本为国际标准IEC 63（后来改名为IEC 60063）是国际电工委员会（IEC）在1963年所提出，是针对电阻器、电容器、电感元件及齐纳二极管的标准。
E系列（E-series）是电子学中常用的从优数，包括E3、E6、E12、E24、E48、E96及E192等系列。
E系列是将1到100之间的数字分为3段、6段、12段、24段等。分段的目的是确保任意数字都可以找到对应的E系列数字，和其误差在±40%、±20%、±10%、±5%等范围内。


E12系列数字与公差（来自Wikipedia）

从上图可以看出，E12系列数字刚好可以把相邻两个数字控制在±10%公差范围内。


E6、E12、E24系列数字（来自Denovo公司）

该系列数字仅是以1~100之间的数字做定义，任意移动小数点的位置照样属于该系列数字。举例：
标准E6序列：10，15，22，33，47，68
小数点左移E6序列：1.0，1.5，3.3，4.7，6.8
小数点右移E6序列：100，150，220，330，470，680

直流电阻DCR - 单位：Ω，mΩ…

电感器的直流电阻（DCR）就是线圈本身的电阻。

直流电阻单位是欧姆（Ω），其各衍生单位之间的换算关系如下：
1Ω=103mΩ1\Omega = 10^3 m\Omega

直流电阻（DCR）的期望值是越小越好，然而需要根据尺寸做出相应的妥协（尺寸越小、线径越细、则DCR越大）

直流电阻（DCR）的存在会使电感器在使用时产生相应的损耗，这种损耗会以发热的形式耗散掉，简单的计算方式如下：
Plose=I2∗DCR P_{lose} = I^2 * DCR

Plose：DCR带来的功率损耗，单位是瓦（W）
I：电感器通过的等效直流电流
DCR： 电感器的直流电阻
DCR是与电感器基于温升的额定电流Irms相关的参数，因为温度上升本身就是功率损耗（Power Loss）所造成的，DCR越大则Irms越小。

温升电流Irms - 单位：A，mA…

电感器的温升额定电流是衡量其额定电流的一种方案，以避免电感器本身温度过高而导致损坏。

电感器的温升额定电流一般标示为Irms，虽然’rms‘的本意并不是指温度上升。

Irms的常见单位是安培（A），其各衍生单位之间的换算关系如下：
1A=103mA1A = 10^3 mA

既然Irms是衡量电感器的温度上升的额定电流，那么它会造成电感器温度上升多少呢？或是说电感器本身温度上升多少所对应的电流才是Irms电流呢？

大多数厂商是的定义标准：ΔT=40°C，即电感器温度上升40°C时所通过的电流。

也有少数厂商定义为其它温度值，具体请仔细阅读厂商提供的规格书。

延展阅读：什么是均方根rms

均方根RMS
均方根（Root Mean Square，缩写为 RMS），是2次方的广义平均数的表达式，也可叫做2次幂平均数。其计算公式是：

在连续函数f(x)的区间[a,b]内，其均方根定义为：
Irms：均方根电流
Vrms：均方根电压
以常见的正弦波（Sine Wave）为例，Vrms刚好等于峰值VPK的√2/2=0.707倍

VrmsVpk关系示意图-正弦波（来自Wikipedia）
饱和电流Isat - 单位：A，mA…

电感器的饱和电流是衡量其额定电流的另一种方案，以避免电感器本身电流过大而导致饱和，从而丧失了电感的能力。

给一个电感器通上电流，其电感量会随着电流的增加而下降，从而逐渐失去电感特性。

大多数厂商是的定义标准：Ldrop=30%，即电感器电感量下降30%时所通过的电流，如下图所示：

电感量vs电流曲线（来自Denovo公司）
也有一些厂商定义为其它的下降百分比，具体请仔细阅读厂商提供的规格书。

Tips：有些时候，规格书上写的饱和电流很大，实际上只是在定义上做了手脚哦，一定要仔细阅读规格书上的定义标准。

额定电流IR - 单位：A，mA…
额定电流IR一般是取温升电流和饱和电流中的较小者，即：

自谐频率S.R.F. - 单位：Hz，KHz，MHz…
前文讲到了电感量会随着电路中电压频率的变化而变化，如果我们不断增加频率，在达到某个频率后，电感器就会突然失去电感属性，即电感量突然大幅下降到0，这个频率点我们就称之为自谐频率（Self-Resonant Frequency），简称S.R.F.

这点也不难理解，想象一下不断增加频率的话，波形会无限接近直流，而电感器本身就是对直流没有电感属性的。

电感量vs频率 | 阻抗vs频率（来自Coilcraft公司）
SRF频率点的电感量：0
SRF频率点的阻抗值：达到最大值
电感器仅在其自谐振频率 (SRF) 范围内充当电感器。在 SRF 处，阻抗变得非常高，电感器可以用作扼流圈来衰减 SRF 附近的信号。

阻抗值Z - 单位：Ω，mΩ…
当电感器用做磁珠用途的时候，会在规格书上标注阻抗值Z。

磁珠也是电感器的一种，只是平时电感器不标注阻抗值Z，而磁珠标注阻抗值Z，二者物理结构上没有区别。某些情况下，电感器可以当做磁珠使用。

典型阻抗vs频率曲线（来自Coilcraft公司）

  1. 电感器的选型方法
    高频电感
    高频电感选型重点关注如下方面：

尺寸
电感量精度（公差）
Q值
选型时尽量谨慎，调试完成后如果需要更换成另一个品牌，或同品牌另一个系列、型号，一定要重新测试验证，否则可能造成信号减弱或丢失。

推荐的品牌和系列：

品牌 系列 推荐理由 推荐指数
村田（Murata） LQP、LQG、LQW 精度高、价格低、易购买 ★★★★★
顺络（Sunlord） SDCL、SDWL 价格低、易购买 ★★★★
Tips：需要高Q值的应用领域，可以尝试使用村田的LQW系列、顺络的SDWL系列高频绕线型电感。

功率电感
功率电感选型重点关注如下方面：

尺寸
额定电流
选型时不需要太谨慎，一般情况下不同品牌之间只要焊盘相同或接近，即可替换。但是本着严谨的态度，更换品牌还是建议先进行验证。

推荐的品牌和系列：

镍锌铁氧体通用型

尺寸 品牌 系列 推荐理由 推荐指数
2mm2mm以内 东电化（TDK） MLP 大电流、价格低、易购买 ★★★★
2mm2mm以内 村田（Murata） LQM 大电流、价格低、易购买 ★★★★
3mm3mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
4mm4mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
5mm5mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
6mm6mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
7mm7mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
8mm8mm 顺络（Sunlord） SWPA 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
10mm10mm 速研（Accetek） 1MF 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
12mm12mm 速研（Accetek） 1MB 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
一体成型大电流型

尺寸 品牌 系列 推荐理由 推荐指数
4mm4mm 顺络（Sunlord） WPN 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
5mm5mm 速研（Accetek） 1MT 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
6mm6mm 速研（Accetek） 1MT 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
10mm10mm 速研（Accetek） 1MT 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
12mm*12mm 速研（Accetek） 1MT 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
磁珠
磁珠选型重点关注如下方面：

阻抗vs频率曲线
额定电流
推荐的品牌和系列：

类别 品牌 系列 推荐理由 推荐指数
普通用途 顺络（Sunlord) GZ 大电流、价格低、易购买 ★★★★★
高频信号线 顺络（Sunlord） HZ 大电流、价格低、易购买 ★★★★★
大电流电路 顺络（Sunlord） PZ、UPZ 品质好、价格低、易购买 ★★★★★
高频大电流电路 顺络（Sunlord） HPZ 品质好、价格低、易购买 ★★★★★

  1. 一个典型的电感器应用电路分析：12V to 5V DC-DC开关电源原理与元件选型
    开关电源
    开关模式电源（英语：Switch Mode Power Supply，SMPS）是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

优势：与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于效率高（此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比），加之开关晶体管工作于开关状态，损耗较小，发热较低，不需要体积/重量非常大的散热器，因此体积较小、重量较轻。
劣势：开关电源工作时，由于频率较高，会对电网及周围设备造成干扰，因此，必须妥善的处理此问题。
搭建一个12V to 5V DC-DC开关电源，需要哪些步骤呢？

第一步：用开关调整波形占空比
占空比（英语：Duty Ratio，Duty Cycle），是频射、微波电路、低频交流和直流电流等多个领域的一个概念，表示在一个周期内，工作时间与总时间的比值。

动图
占空比示意图（来自Wikipedia）
通过一定的时间比例（5:7）让开关进行开合，使12V直流波形转换成如下图所示波形（占空比：5/12）：

12V直流转换后的波形，占空比:5/12
上图中的开关一般用MOS管替代，电源IC可以控制它的开和关：

MOS管替代开关

第二步：用电感和电容将电压控制成5V直流
所利用到电感和电容的特性：

电感两端的电流不能突变
电容两端的电压不能突变

典型的开关电源拓扑图
最终使波形Ua转换成了Ub，近似5V直流。

当然凡事很难达到完美，从上图波形Ub中可以看出，最终是在5V上下一定范围内进行波动，这个范围叫纹波，如下图所示：

纹波示意图
只要将纹波控制得足够小，就可以满足正常的使用了。至此，一个12VDC转换5VDC的开关电源原理图搭建完毕。

开关电源中物料的选型
IC的选型
IC有很多品牌，常见的品牌有这些：

电源芯片厂家
IC选型主要根据输出输入电压及开关频率等参数进行选型；本文以MPS的MP2315S为例，进行下面的电感器和电容器选型。

MP2315S参数
电感器的选型

在厂商官网查阅MP2315S的规格书，上面有详细的阐述如何计算所需的电感量和电流值：

根据MP2315S规格书计算得出电感量范围
根据MP2315S规格书计算得出电感量范围和需要的饱和电流，就可以进行电感的选型了。

还记得前文‘电感器的材料’章节所讲的内容吗，建议优先选用镍锌铁氧体材质的电感器，因为它的使用频率范围是最宽的。开关频率比较高的话，要特别注意这一点，以避免电感器看似参数选型正确，电路却无法正常工作。

1MF104-4R7NF电感器参数（来自Denovo公司）
Tips 1：近年来，一体成型电感正在兴起，但是笔者建议选择使用它时一定要结合自己的开关频率，如果频率过高尽量避免使用，因为它的材质所适用的频率范围比镍锌铁氧体要小很多。

Tips 2：一个电感器选型的小工具，输入目标参数即可查找：https://www.denovocn.com/power-inductor-selector

功率电感查找工具（来自Denovo公司）
电容器的选型

根据MP2315S规格书计算得出输入电容和输出电容的参数。

输入电容：

输出电容：

至此，12V to 5V DC-DC开关电源原理与元件选型已完成。

来源：
作者：peterkkk366
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/466025831