工字電感的基本工作原理就是充電放電，當然還有整流、振蕩以及其它的作用。工字電感一般用于電路的匹配和信號質(zhì)量的控制上，一般地的連接和電源的連接，也是一種蓄能元件。色環(huán)電感與力學中的慣性相類似的特性，在電子元件取名為“電感器”，通常在拉開閘刀開關(guān)或接通閘刀開關(guān)的瞬間，會發(fā)生火花，這自感現(xiàn)象產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢所造成的。

   工字電感的感量變化來源于外加交變電源的變化，故從客觀效果看，色環(huán)電感有阻止交流電路中電流變化的特性。總之，當色環(huán)電感接到交流電源上時，色環(huán)電感內(nèi)部的磁力線將隨電流的交變而時刻在變化著，導致色環(huán)電感產(chǎn)生電磁感應(yīng)。

   電感器是一個電抗器件，電感器在電子電路中經(jīng)常使用，將一根導線饒在鐵芯上或一個空心線圈就是一個電感器。當電流通過一段導線時，在導線的周圍會產(chǎn)生一定的電磁場，這個電磁場會對處于這個電磁場中的導線產(chǎn)生作用。我們將這個作用稱為電磁感應(yīng)。為了加強電磁感應(yīng)，人們常將絕緣的導線繞成一定圈數(shù)的線圈，我們將這個線圈成為電感線圈。為了簡單識別，通常將電感線圈稱為電感器或者電感。

   當工字電感電流流過導線時，在導線的周圍就會產(chǎn)生磁場，磁場的強度與線圈的圈數(shù)及電流的大小成正比，磁場發(fā)生變化時，電感會感應(yīng)一電動勢來阻止磁場的變化，這種性質(zhì)被稱為電感。若將多個電感線圈放在一起，它們之間就會互相產(chǎn)生影響，即構(gòu)成一個變壓器。電感器和變壓器多是通過電磁感應(yīng)的原理來工作的。

   常用的插件電感器有工字電感器和我是R棒電感、色環(huán)電感等電感器。其中工字電感器又分為臥式工字電感器和立式工字電感器兩類。電感器中的線圈是導線纏繞而成的。纏繞一圈成為匝，所以線圈多有芯數(shù)的概念。一般線圈的匝數(shù)都大于1.這里的導線不是裸線，而是報有絕緣層的銅線和鋁線，因此線圈的匝與匝之間是彼此絕緣的。

在手機、RFID、測試設(shè)備、GPS、雷達、Wi-Fi以及衛(wèi)星無線電等應(yīng)用的高頻模擬電路和信號處理中，電感是最重要的元件之一。通常，它可以承擔的幾項主要功能包括電路調(diào)諧、阻抗匹配、高通和低通濾波器，還可以用作RF扼流圈。

  選擇在設(shè)計中使用RF電感的電子工程師有多種選擇。為了簡化這種選擇，本文將討論電感元件的各種類型及其常見用法。

  RF電感的用途

  大部分電子器件都含有RF電感。“為了跟蹤動物，在我們家養(yǎng)動物的皮膚中植入的玻璃管內(nèi)部都含有一個電感”，普萊默公司的一位研發(fā)工程師 Maria del Mar Villarrubia說，“每次啟動汽車的時候兩個電感之間都會產(chǎn)生無線通信，一個在汽車內(nèi)部，另一個在鑰匙內(nèi)部。”

  不過，正如這種元件的無所不在一樣，RF電感也有著非常具體的用途。在諧振電路中，這些元件通常與電容結(jié)合使用，以便選擇特定的頻率（如振蕩電路、壓控振蕩器等）。

  RF電感也可以用于阻抗匹配應(yīng)用，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸線的阻抗平衡。這是為了確保IC間高效的數(shù)據(jù)傳輸所必需的。

  作為RF扼流圈使用時，電感串聯(lián)在電路中，起到RF濾波器的作用。簡單來說，RF扼流圈是個低通濾波器，它會給較高的頻率造成衰減，而較低的頻率則暢通無阻。

  Q值是什么

  在討論電感性能時，Q值是最重要的衡量指標。Q值是一種衡量電感性能的指標，它是一個無量綱的參數(shù)，用于比較振蕩頻率和能量損耗速率。

  Q值越高，電感的性能就越接近于理想的無損電感。也就是說，它在諧振電路中的選擇性更好。”

  高Q值的另一個好處是損耗低，也就是說電感消耗的能量少。低Q值會造成帶寬較寬，而且在振蕩頻率處及其附近的諧振幅度較低。

  電感值

  除了Q因子以外，電感的真正的量度當然是它的電感值。對于音頻和電源應(yīng)用而言，電感取值通常是數(shù)亨利，而高頻率應(yīng)用通常需要小得多的電感，通常在毫亨或微亨范圍內(nèi)。

  電感值取決于幾個因素，其中包括結(jié)構(gòu)、鐵芯尺寸、鐵芯材料以及實際的線圈匝數(shù)。電感既有電感值固定的，也有電感值可調(diào)的。

  其他規(guī)格

  電感值并不是唯一重要的取值。直流電阻、電流以及自諧振頻率（SRF）是RF電感的數(shù)據(jù)單中所提供的一些更加有用的規(guī)格。

  del Mar Villarrubia說：“根據(jù)應(yīng)用場合的不同，每種特性都可能是需要重點考慮的因素并決定其他特性。例如，如果元件將用在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，那么電感在很寬的溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是很重要的，而這種要求將會確定磁芯的選擇。”

  額定電流

  在選擇電感時，工作電流應(yīng)該低于說明書中的額定電流。如果工作電流超過額定電流，就可能會損壞產(chǎn)品。

  直流電阻（DCR）

  Kimbro稱，直流電阻（DCR）與額定電流有很大的關(guān)聯(lián)。以線圈電阻為基準，直流電阻等于電感的損耗。如果繞線的直徑增加，那么直流電阻會減小，而額定電流會增加。較大的繞線直徑降低了損耗并改善了電流處理能力。

  Vishay公司電感部門的產(chǎn)品市場經(jīng)理Doug Lillie說：“直流電阻會限制在不過熱或不發(fā)生飽和（感應(yīng)系數(shù)急劇降低）的情況下器件可以傳輸?shù)闹绷麟娏鳌！?

  自諧振頻率（SRF）

  電感中的每一匝繞線都可以看成一塊電容器極板，匝與匝之間以及線圈與鐵芯之間電容的總體效果可以用與電感并聯(lián)的單個電容來表示，稱為分布電容（Cd）。這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的諧振頻率就稱為自諧振頻率（SRF）。

  Lillie說：“在這個頻率，電感看起來就像帶有阻抗的純電阻。如果頻率超過自諧振頻率，這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的容抗將成為主要因素。”

  疊層片式電感

  疊層片式電感是使用陶瓷材料結(jié)構(gòu)通過集成工藝制成的。陶瓷材料結(jié)構(gòu)可以在高頻處提供很好的性能，而疊層片式工藝以提供各種各樣的電感值。

  疊層片式器件的電感值范圍要比薄膜或空芯線圈類的電感廣，但是比不上線繞式元件的電感取值范圍或額定電流。疊層片式技術(shù)因其很好的電特性，特別是其低廉的成本，而越來越流行。

  薄膜電感

  薄膜電感是使用光刻工藝生產(chǎn)的，這種工藝可以在陶瓷基底上生產(chǎn)出非常精確的線圈模式，從而滿足苛刻的電感公差。陶瓷基板使得這些電感成為RF應(yīng)用的理想元件。但是，薄膜電感能傳輸?shù)碾娏鬏^小，而且電感值范圍有限。

 線繞式電感

  線繞式電感通常用于低頻應(yīng)用之中。線繞式電感是將銅線繞在陶瓷（氧化鋁）磁芯上制成的。

  因其結(jié)構(gòu)和材料的原因，線繞式電感可以提供很好的電特性。水平繞線結(jié)構(gòu)使得公差很小而雜散電容很小，而銅線使得直流電阻很小，從而增加了品質(zhì)因子性能以及額定電流。

  錐形電感

  錐形電感是面向?qū)拵Ш透哳l應(yīng)用的，它的結(jié)構(gòu) 可以展寬線圈的帶寬。錐形電感的實際尺寸較小，通常是用細線繞成的，因此雜散電容較小。

  在超寬帶Bias-T器件中，錐形電感同時提供了直流偏置提取或注入路徑，它可以將電源與有源器件隔離。

  磁芯的選擇

  高頻器件通常使用空心或惰性（也就是陶瓷）磁芯。它們提供了比磁性鐵芯更好的熱性能，但是其電感取值有限。

  中頻器件通常采用鐵芯。鐵芯不會飽和，但是無法提供鐵氧體磁芯那樣的大電感值。低頻器件通常使用鐵氧體磁芯。應(yīng)該盡可能地避免使用鐵氧體磁芯，因為它們會在較小的Idc值處飽和，而且會受溫度的影響（△L/△T）。

  廠商們也在開發(fā)和使用更新的鐵氧體，如無定形和納米晶體材料。電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上， 用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的 電壓尖峰。

電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。有的應(yīng)用允許電感飽和，有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進入飽和， 也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和，這要求在具體線路中進行區(qū)分。大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)”，此時電感值為一常數(shù)，不隨著端電壓與電流而變化。但 是，開關(guān)電源存在一個不可忽視的問題，即電感的繞線將導致兩個分布參數(shù)(或寄生參數(shù))，一個是不可避免的繞線電阻，另一個是與繞制工藝、材料有關(guān)的分布式 雜散電容。雜散電容在低頻時影響不大，但隨頻率的提高而漸顯出來，當頻率高到某個值以上時，電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容“集中”為一個電容， 則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性。

當分析電感在線路中的工作狀況或者繪制電壓電流波形圖時，不妨考慮下面幾個特點：

  1. 當電感L中有電流I流過時，電感儲存的能量為：  

E＝0.5×L×I2 (1)  

2. 在一個開關(guān)周期中，電感電流的變化(紋波電流峰峰值)與電感兩端電壓的關(guān)系為：  

V＝(L×di)/dt (2)  

由此可看出，紋波電流的大小跟電感值有關(guān)。  

3. 就像電容有充、放電電流一樣，電感器也有充、放電電壓過程。電容上的電壓與電流的積分(安·秒)成正比，電感上的電流與電壓的積分(伏·秒)成正比。只要電感電壓變化，電流變化率di/dt也將變化；正向電壓使電流線性上升，反向電壓使電流線性下降。  

計算出正確的電感值對選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。  

從圖1可以看出，流過開關(guān)電源電感器的電流由交流和直流兩種分量組成，因為交流分量具有較高的頻率，所以它會通過輸出電容流入地，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出紋波電壓dv=di×RESR。這個紋波電壓應(yīng)盡可能低，以免影響電源系統(tǒng)的正常操作，一般要求峰峰值為10mV~500mV

紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設(shè)定為最輸出電流的10%~30%，因此對降壓型電源來說，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。  

降壓型開關(guān)電源的電感選擇

為降壓型開關(guān)電源選擇電感器時，需要確定最輸入電壓、輸出電壓、電源開關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。下面以圖2為例說明降壓型開關(guān)電源電感值的計算，首先假設(shè)開關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍12V±10%、輸出電流為1A、最紋波電流300mA

最大輸入電壓值為13.2V，對應(yīng)的占空比為：  

D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379 (3)

  其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當開關(guān)管導通時，電感器上的電壓為：  

V＝Vi－Vo＝8.2V (4)  

當開關(guān)管關(guān)斷時，電感器上的電壓為：  

V＝-Vo－Vd＝-5.3V (5)

dt＝D/F (6)  

把公式2/3/6代入公式2得出：

升壓型開關(guān)電源的電感選擇

對 于升壓型開關(guān)電源的電感值計算，除了占空比與電感電壓的關(guān)系式有所改變外，其它過程跟降壓型開關(guān)電源的計算方式一樣。以圖3為例進行計算，假設(shè)開關(guān)頻率為 300kHz、輸入電壓范圍5V±10%、輸出電流為500mA、效率為80%，則最紋波電流為450mA，對應(yīng)的占空比為：

D＝1－Vi/Vo＝1－5.5/12＝0.542 (7)

當開關(guān)管導通時，電感器上的電壓為：

  V＝Vi＝5.5V (8)  

當開關(guān)管關(guān)斷時，電感器上的電壓為：

  V＝Vo＋Vd－Vi＝6.8V (9)  

把公式6/7/8代入公式2得出

請 注意，升壓電源與降壓電源不同，前者的負載電流并不是一直由電感電流提供。當開關(guān)管導通時，電感電流經(jīng)過開關(guān)管流入地，而負載電流由輸出電容提供，因此輸 出電容必須有足夠大的儲能容量來提供這一期間負載所需的電流。但在開關(guān)管關(guān)斷期間，流經(jīng)電感的電流除了提供給負載，還給輸出電容充電。