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來源：DigiKey 作者：Alan Yang 在電感電路設(shè)計(jì)過程中，我們往往只留意電感值大小，卻容易忽略電感值還會(huì)隨著頻率變化；找到了電感的直流電阻，卻忽略留意其交流電阻的特性。本文嘗試分享一些容易被忽略的電感關(guān)鍵參數(shù)。 1. 什么是電感 電感是由通常纏繞在固體材料上的線圈組成的，這種固體材料一般都具有鐵磁性或高磁導(dǎo)性。事實(shí)上，電磁場(chǎng)是基于內(nèi)部繞組和電流流動(dòng)方向并以特定的方式產(chǎn)生的。如果你希望了解電磁場(chǎng)的發(fā)生方式，建議閱讀這篇貼文：電磁基礎(chǔ)淺談 電感回沖特性與方向 電感的一個(gè)關(guān)鍵特性是回沖。電感內(nèi)部和周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)存儲(chǔ)能量，并且在快速斷電的情況下，會(huì)在連接的電路上以非常高的電壓釋放能量。 
圖 1 電感電流方向與磁場(chǎng)方向 當(dāng)電感上的電壓降低時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生分解并存儲(chǔ)產(chǎn)生高電壓所需的能量（這對(duì)于許多電路設(shè)計(jì)來說是至關(guān)重要的，并且可能損壞敏感組件）。電感內(nèi)部的線圈始終是相同的，不論是否將其翻轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)怪脮r(shí)，順時(shí)針向上轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈仍將順時(shí)針向上轉(zhuǎn)動(dòng)。如果從上向下看，則變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)。同樣，如果將線圈倒置，它將從上向下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 無論電感繞組的方向和朝向如何，磁場(chǎng)的極化都與回沖無關(guān)，因?yàn)橛蛇B接電路上的電感產(chǎn)生的電壓所導(dǎo)致的電流總是以相反的方向流動(dòng)。這就是為什么單個(gè)電感沒有極性的原因。真正的問題在于，如何根據(jù)期望的電路特性正確地施加電流。以下是展示回沖現(xiàn)象的快速動(dòng)畫演示：
圖 2 電感回沖現(xiàn)象 2. 哪些容易被忽略的電感參數(shù) 2.1 電感值與頻率 我們以Würth Elektronik 的744901115舉例 數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出電感值15nH，這是在500MHz測(cè)試條件下，可達(dá)到+/-2%的公差。
圖 3 電感值（圖片來源于Würth Elektronik） 然而，電感值不是一成不變的，會(huì)隨著頻率的變化而變化。如果你想知道某一特定頻率下的電感值，可以參看電感與頻率曲線。一般會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出。
圖 4 電感值與頻率（圖片來源于Würth Elektronik） 一般來說，電感值頻率曲線盡可能平坦是非常重要。 DigiKey電感單位換算在線工具 電感換算器可幫助您換算不同量程單位（從皮亨 (pH) 到千亨 (kH)）之間的電感測(cè)量值，以及這些單位之間的轉(zhuǎn)換。
圖 5 DigiKey電感單位換算在線工具 2.2 電感的阻抗 電感的直流電阻（DCR） 直流電阻（DCR）表示電感受到信號(hào)頻率接近0Hz時(shí)的電阻值。 一般，常見電感的DCR值都很低。 我們還是以Würth Elektronik 的744901115舉例，直流電阻在20°C，典型值0.91Ω，最大值1.8Ω
圖 6 電感直流電阻，（圖片來源于 Würth Elektronik） 當(dāng)考慮相同尺寸大小的電感時(shí)，電感通常會(huì)是 · 如果電感值較高，則直流電阻值較高 · 如果電感值較低，則直流電阻值較低 請(qǐng)注意，直流電阻對(duì)于確定電線加熱損耗至關(guān)重要。 因此，有必要盡可能選擇較低的DCR，使電感的功率損耗降低。 電感的交流電阻（ACR） 電感的規(guī)格中常常會(huì)包含直流電阻值，卻沒有交流電阻。在高頻應(yīng)用中，你有時(shí)可能需要考慮交流電阻。
圖 7 頻率與交流電阻 實(shí)際的電感包括在鐵芯上產(chǎn)生渦流損耗的電阻分量，以及由于集膚和鄰近效應(yīng)而增加的導(dǎo)線的電阻分量。這些分量稱為交流電阻。交流電阻值與頻率成正比增加（如下例所示），對(duì)高頻下的功率損耗和組件溫度的增加有顯著影響，因此需要考慮實(shí)際使用情況。 小貼士：電感阻抗計(jì)算 阻抗可以理解為交流電路中的無源元件減少或阻礙電流的程度。這同樣適用于高頻無線電應(yīng)用或高頻數(shù)字電路應(yīng)用，因?yàn)樗羞@些應(yīng)用都具有共同之處，即，它們?cè)谌魏沃芷谛圆ㄐ沃卸季哂心撤N形式的電壓變化。（注意：這并非僅局限于正弦波。）一些直流波形可以通過穩(wěn)定的直流輸入進(jìn)行操作，其中包括方波、鋸齒波、三角波和其他脈沖模式。 以下是電感上電壓和電流的等式：
DigiKey電抗計(jì)算器 這里有一個(gè)實(shí)用小工具，方便計(jì)算指定頻率下電感或電容器的電抗或?qū)Ъ{大小。
圖 8 DigiKey電抗計(jì)算器 2.3 額定電流 額定電流是指引起定義溫升的最大直流電流。 我們以Würth Elektronik 的7449152090舉例
圖 9 額定電流與溫升（圖片來源：Würth Elektronik） 但須留意，為了安全，溫升加上環(huán)境溫度不得超過最高工作溫度。 還是以Würth Elektronik 的7449152090為例子，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，額定電流30A
圖 10 額定電流（圖片來源：Würth Elektronik） 2.4 電感功率 許多電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中列明了額定電流，但未列明額定電壓和額定功率。電感的額定電流取決于電路設(shè)計(jì)中采用的最大電流。要確定電感在燒毀前可以承載的最大功率，可用額定電流乘以電路中使用的電壓。要確定電感中因電阻導(dǎo)致的功率損耗，可將直流電阻（DCR）代入公式P=I2XR中計(jì)算，以確定是否存在明顯損耗。 DigiKey歐姆定律計(jì)算器
圖 11 DigiKey歐姆定律計(jì)算器 2.5 自諧振頻率 ( SRF ) 由于任何線圈的繞組結(jié)構(gòu)都會(huì)表現(xiàn)出一定的電容，它自身的電感和分布電容在一定頻率上會(huì)產(chǎn)生諧振，這個(gè)頻率叫作自諧振頻率 ( SRF )。
圖 12 電感寄生參數(shù) 當(dāng)正好在自諧振頻率處，電感及其寄生電容表現(xiàn)為具有幾乎無限高阻抗的諧振電路。超出自諧振頻率之外，“電感”的行為就像電容。 下圖黑線便是電感值，紅線表示阻抗值
圖表 13 頻率與電感值/阻抗（圖片來源：Würth Elektronik） 圖片來源于Würth Elektronik 的744758256A 所以，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)高頻電路時(shí)，僅僅考慮電感值是不夠的。還需要考慮到自諧振頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用頻率。自諧振頻率也可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到。以Würth Elektronik 的744758256A舉例，自諧振頻率在3300MHz之上
圖 14 2.5 自諧振頻率 ( SRF ) （圖片來源：Würth Elektronik） 2.6 電感的Q值 質(zhì)量因子Q是一個(gè)重要的特性參數(shù)，也是射頻應(yīng)用中首先要考慮的問題之一。“Q”代表“品質(zhì)因子”，即電感的感抗XL與損耗的內(nèi)阻RS之間的比率
但是，一些電感（比如鐵氧體鐵芯電感）在不同頻率上電感值L不恒定，其質(zhì)量因子不能簡單按上述公式計(jì)算。為了正確測(cè)量質(zhì)量因子，在測(cè)量中必須考慮與頻率相關(guān)的鐵氧體材料的實(shí)損和虛損，以及電感復(fù)合材料的各種電感和電容效應(yīng)。 一般數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)列出頻率與Q值的曲線圖 我們以Würth Elektronik 的>744901115舉例
圖 15 Q值（圖片來源：Würth Elektronik）
圖 16 頻率與Q值（圖片來源：Würth Elektronik） Q值的另一個(gè)因子是基材。線圈可以具備由鐵氧體或陶瓷材料制成的基板。在數(shù)百兆赫茲及以上的頻率范圍內(nèi)，不能使用鐵氧體基板，而應(yīng)使用陶瓷材料。下圖顯示了使用不同材料的電感的Q值和頻率響應(yīng)。
圖 17 不同材料的電感的Q值和頻率響應(yīng) 最后 了解電感參數(shù)非常重要，在電感選型設(shè)計(jì)時(shí)幫助我們事半功倍。更多電感設(shè)計(jì)與常見問答的相關(guān)內(nèi)容，可以去我們的 技術(shù)論壇 查看，或聯(lián)系DigiKey客服得到更多支持。 |
