硬件基础04 - 电感(十年老司机的硬件文章)

liujieshui

一、技术理论

1、电感定义

将漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制而成的器件，当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来阻碍线圈中电流的变化，这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，也就是电感，相应的器件成为电感器。

电感的符号为L，单位为亨利(H)。  电感越大，感抗能力越强。

Note：电感总是试图阻碍自身的电流变化，是一种自然现象。 电感器是根据自然现象制成的元器件。

2、单位换算

亨利单位很大，通常使用mH，uH

1H = 103mH = 106uH

3、自感与互感

电感线圈通过电流时，线圈的周围产生磁场，当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场阻碍电流的变化，成为自感。

两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

4、感应电压

电感线圈产生自感时，感应电流通过负载维持电流变化，将产生感应电压。 感应电压的大小取决于感应电流与负载，感应电流与负载越大，感应电压越大，反之越小。

Note：电感突然断开时，需要提供合理的续流路径，否则负载很大，将会产生很高的感应电压，损坏电路。    比如BUCK降压与电磁继电器电路中的续流二极管，就是给电感提供续流路径的，减小感应电压。

5、电感作用

电感的本质是阻碍自身的电流变化，在电路中起到通直流阻交流的作用。

通直流： 流过电感的电流无变化时，电感相当于导线，不过，与导线的区别是，电感周围会产生磁场；

阻交流：注意，是阻碍，不是阻止。 电感阻碍电流变化，让电流变化变缓。

6、电路应用

① 滤波   电感阻碍电流变化，与电容C组成LC滤波器

② 升压   利用感应电压，达到升压效果，比如BOOST升压电路

。。。

二、器件选型

1、电感类型

常用电感类型：贴片高频电感，功率电感，共模电感，差模电感

贴片高频电感：高频信号滤波，小功率LC滤波

功率电感：LC滤波，升压

共模电感：滤除共模信号

差模电感：滤除差模信号

2、电感值

根据电路，选择合适的电感值。  电感值越大，感抗越大，对电流的阻碍越大。

确定电感值的方法：

分计算取值，手册取值，经验取值

    1、计算取值   LC滤波电路，可以根据中心频率计算，f为 2πLC开根号；

    2、手册取值   设计电路时，参考手册典型应用电路，按建议取值；

    3、经验取值   凭经验取值，再根据实际测试进行调整。

    前期了解即可，随着硬件技术的不断进步，自然融汇贯通，前期多参考单片机实战项目的电路设计，多沟通。

电感串联与并联

电感串联：感值增大，对电流的阻碍作用加强

电感并联：感值减小，对电流的阻碍作用减小

3、DCR

电感的直流阻抗。

导线必定存在电阻，此电阻导致电感发热，根据P=I2*R， DCR越小越好。

4、饱和电流

Isat，电感饱和电流，当流过电感的电流超过饱和电流时，电感作用将降低，甚至失效，变成一根导线，损坏短路。  应用中一定要避免电感中的电流超过饱和电流，可靠性考虑，尽量留有一定裕量。

比如BUCK降压，如果电感饱和了，LC滤波变成C滤波，电容充电电流将损坏PWM开关管，电路失效。

饱和电流取值：

流过电感的电流导致感值降为70%时，此时的电流为饱和电流。    如果电流进一步增加，电感性能将降低，甚至失效。

5、封装

选择封装，需要考虑结构高度，PCB尺寸，感值，饱和电流，DCR，成本等，满足需求的情况下，尽量选择小些封装的。

6、成本

满足需求的情况下，尽量选择价格便宜的

三、功率电感

特点：感值高，功率大，饱和电流大，封装尺寸相对较大

应用：低频LC滤波，升压

补充：带屏蔽的功率电感比非屏蔽的EMI效果好些，但价格稍贵些。

<图片来源于网络>  

<图片来源于数据手册>

阅读功率电感数据手册：

功率电感  - 顺络 SWPA系列.pdf

功率电感 - chilisin(奇力新) MHCC、MHCI系列.pdf

四、贴片电感

特点：感值小，功率小，饱和电流小，封装尺寸小

应用：高频信号滤波

<图片来源于网络>

<图片来源于数据手册>

阅读功率电感数据手册：

贴片电感 - 风华 叠层片式高频电感.pdf

五、共模与差模电感

1、共模电感

                                            <图片来源于网络>     

构成：两组直径与圈数相同的线圈，方向相反的绕制在同一个铁芯上，引出4个引脚。

作用：滤除共模干扰信号，降低EMI

共模信号：大小相等、方向相同的信号

2、差模电感

<图片来源于网络>

构成：一组线圈绕制在铁芯上，引出2个引脚。

作用：滤除差模干扰信号，降低EMI，一般成对出现。

差模信号：大小相等、方向相反的信号。

<图片来源于网络>

六、数据手册

章节三、四、五讲解。

七、仪器测试

测试感值，需要使用数字电桥

测试DCR，使用万用表即可

八、电路仿真

仿真一：电感无续流路径，产生很高的感应电压

<图片来源于PSpice仿真效果>

仿真二：电感通过肖特基二极管续流，感应电压很小

<图片来源于PSpice仿真效果>

九、产品应用

1、BUCK降压

<图片来源于STM32实战电路图>

说明：LC滤波器，采用功率电感，电感饱和电流至少大于平均电流的4/3(经验值)， 将电源PWM波滤成直流电压，改变PWM占空比即可改变直流电压，达到降压的目的。

D14为电感L4进行续流，为续流二极管，必不可少。

2、BOOST升压

<图片来源于电源系统专题电路图>

说明：利用电感的感应电压进行升压。

3、电源LC滤波

<图片来源于STM32实战电路图>

说明：LC低频滤波

4、贴片电感

<图片来源于PWM控制0-10V输出电路>

说明：LC低频滤波，负载电流小，使用贴片电感

5、共模电感用于开关电源输入部分

<图片来源于开源的反激式开关电源>

十、资料获取

硬件基础学习班，qq群文件下载。

加入学习班，联系刘杰(MCU168168168)

十一、课后习题

分值: 1 - 5题各10分,6题20分，7题30分

Note：知识星球作答，第一个获得90分的学员，奖励30元。

习题1：

选择题 - 选择电感，需要考虑哪些参数( )

A.  饱和电流   

B：ESR

C：DCR

D：感值

E：封装

习题2：

选择题 - 功率电感的特点( )

A.  封装下   

B：DCR小

C：感值小

D：饱和电流大

习题3：

填空题 - 不考虑误差，两个感值为10uH的电感串联，感值为多少？

习题4：

填空题 - 电感的本质是什么？

习题5：

填空题 - 电感的感应电压由哪些参数决定？

习题6：

问答题 - 如下图，D7可以去掉吗？ 为什么？

习题7：

问题答 - 谈谈对电感饱和电流的理解

讲师：刘杰，软硬件工程师，十多年单片机产品开发经验。长期进行单片机实战项目教学与部分专题技术教学。