元器件基础学习笔记——电感的分类及主要参数

一、电感的分类

电感器是一种电子元件，它能够将电能转化为磁能并储存起来。电感器的分类方法有很多，可以根据用途、形状、结构等不同的标准进行划分。

分类依据	类型	备注
电感值	固定电感	固定线圈
电感值	可变电感	改变磁芯的饱和度
用途	高频电感	绕线型，积层型，薄膜型
用途	功率电感	绕线型，积层型
磁芯	空心类电感	空心，非磁性体磁芯
磁芯	磁芯类电感	铁氧体磁芯，压粉磁芯，金属磁芯
形状和结构	带导线型	轴向导线，径向导线
形状和结构	SMD型	绕线型，积层型，薄膜型

1.1 按电感值分类

1.1.1 固定电感器

固定电感器是一种常用的无源电子元件，它主要用于储存和释放电能，由线圈和磁芯组成。

线圈是电感器的核心部分，通常由导电材料绕制而成，如铜、铝或银等。磁芯是增强电感效果的材料，如铁氧体、镍锌铁氧体等，它们具有良好的导磁性能。

电路符号：

1.1.2 可变电感器

可变电感器是一种其电感值可以调节的电感器，它通常用于需要调整电感量的电路中。

可变电感器通常具有三个铁芯柱，包括一个中央铁芯柱和两个外铁芯柱。在这些铁芯柱上缠绕着线圈，通过改变控制线圈的电流来调节电感值。可变电感器的工作原理是通过改变磁芯的饱和度来调节电感值。当控制线圈的电流变化时，外铁芯柱的饱和度会相应改变，从而改变电感值。

电路符号：

1.1.3 固定电感与可调电感的对比

可变电感器和固定电感器的主要区别在于其电感值是否可以调整，以及它们在电路中的具体应用差异。

① 从电感值的可调整性来看，固定电感器的电感值是预先确定的，并且在设计和制造过程中被固定在某个数值上。它们通常将绕制的线圈包裹在绝缘材料中，以确保电感的稳定性和可靠性。而可变电感器则设计有可调整的磁性铁心或其他机制，允许电感值在一定范围内变化，以适应不同的电路需求。

② 从结构特点来看，固定电感器的结构相对简单，它们不像变压器一样具有可变的磁性铁心。相比之下，可变电感器的结构更为复杂，需要额外的控制机制来调节铁心的饱和度，从而改变电感值。

③ 从应用角度来看，固定电感器主要用于与电子电路中的其他元件形成谐振电路，具有滤波和振荡的作用。而可变电感器则更多地用于需要调整电感量的场合，如调谐收音机的调台功能等。

1.2 按用途分类

1.2.1 高频电感

高频电感器，也叫射频电感器、RF电感器，主要用于移动通信设备等高频电路中，通常是几十MHz到几十GHz。高频电感器有多种结构类型，包括绕线型、积层型和薄膜型。

1.2.1.1 绕线型高频电感

绕线型高频电感的结构是在氧化铝芯上将铜线绕成螺旋状，如下图所示：

绕线型高频电感具有以下特点：

① 低直流阻抗：在绕线型电感中，通常使用较粗的铜线来绕制线圈。这种铜线因为直径较大，其电阻较小，因此在直流电路中能够提供较低的阻抗。

② 能够承受较大的电流：绕线型电感使用的铜线电阻较小，因此在通过相同电流时，产生的热量较少，不容易导致温度过高。

③ 高Q值：绕线型电感使用的铜线电阻较小，从而降低能量损耗。氧化铝芯的使用有助于减少磁芯损耗，因为这种材料具有较好的高频特性。

1.2.1.2 积层型高频电感

积层型高频电感是将陶瓷材料及线圈导体层压成一体的单片结构。

这种结构有助于实现电感器的小型化和低成本化。虽然与绕线结构相比，积层结构的Q值可能稍低，但它的L值偏差、额定电流、大小、价格等整体的平衡性较好，用途也较为广泛。

1.2.1.3 薄膜型高频电感

薄膜型高频电感也是采用积层构造，在制作线圈上采用村田微细加工技术，是一种实现了高精度陶瓷材料的贴片电感器。

薄膜型高频电感采用积层构造，可以实现更小型化的贴片电感设计。这种类型的电感器在制作上采用了高精度的陶瓷材料和微细加工技术，能够实现精细的感值阶梯和高精度的产品阵容。即使是小型的贴片电感，薄膜型高频电感也能够提供高性能的电气特性，如高Q值和高自谐振频率（SRF），这意味着在高频应用中它们具有较低的损耗和更好的性能。

1.2.1.4 三种高频电感的对比

制作工艺不同的三种高频电感器的特点和应用场景：

类型	特点	应用场景
绕线型高频电感	高Q值低直流阻抗大电流大电感	主要用于对Q值特性有要求的RF匹配电路支持大电流的扼流电路天线匹配电路
积层型高频电感	小型高性能高可靠性	要求小型化，偏差小，且Q值高的PA匹配电路、RF匹配电路
薄膜型高频电感	小型高性能高Q值窄感值间隔	RF部的匹配电路及扼流电路

1.2.2 功率电感

功率电感与普通电感相比，在结构、电流量和产品应用方面有所不同。功率电感的设计使其能够处理更大的电流，这对于电源转换和管理非常重要。它们通常具有低电阻和低损耗的特点，这使得它们在高电流环境下效率更高，发热更少。

1.2.2.1 绕线型功率电感

绕线型电感器是将铜线以螺旋状绕于铁氧体材料的磁芯上。

绕线型功率电感的电感量覆盖范围广，并且能够承受较大的电流，适合用在功率较大的电路中。这种类型的电感器的生产工艺成熟且简单，成本相对较低，易于大规模生产。绕线型功率电感的应用领域非常广泛，包括手机、电视机、硬盘驱动器、数码相机等。

1.2.2.2 积层型功率电感

积层型电感是将陶瓷材料和线圈导体相互重叠后烧结而成的电感器。与绕线型结构相比，体积小、高度低。

积层型功率电感通常具有较小的尺寸和低剖面设计，这使得它们非常适合用于空间受限的电路板上，主要应用于手机、数码相机中。

1.2.2.3 两种功率电感的对比

绕线型和积层型功率电感按照其特征被应用于各种不同的市场及领域：

类型

特点

应用领域

绕线型

尺寸丰富多彩

可以达到mH级的高电感值

手机、数码相机、电视机、硬盘驱动器、游戏机

积层型

体积小、高度低

采用了电磁屏蔽结构

手机、数码相机

1.2.2.4 屏蔽电感与非屏蔽电感

屏蔽电感和非屏蔽电感在结构差异和电磁干扰防护能力上存在显著差异。

① 结构差异：屏蔽电感具有一个或多个金属罩，这些金属罩通常由铁氧体、磁性材料或金属制成，而非屏蔽电感则没有这样的金属罩，主要由线圈绕组和铁芯构成。

② 电磁干扰防护：屏蔽电感器外部带有磁屏蔽结构，这种结构可以有效地防止电感器对外界产生电磁干扰，同时也能减少外界电磁场对电感器的影响。而非屏蔽电感则没有这种保护措施，其漆包线暴露在外，没有额外的磁屏蔽。

1.3 按磁芯分类

按形状与结构可分为空心类和磁芯类。

1.3.1 空心类电感

1.3.1.1 空心电感

空心电感器是一种没有铁芯或磁芯的电感器。

由于没有铁芯或磁芯，空心电感器的储能能力受到空气的磁导率和磁通密度的影响，通常其值较小，且损耗较大。空心电感器在高频变换器等电力电子领域有重要应用，因为它能够在高频下工作而不产生过多的铁损。

1.3.1.2 非磁性体磁芯电感

非磁性体磁芯电感是一种使用非导磁材料作为其铁芯的电感器，通常采用的材料如陶瓷芯，这种材料由于不具导磁性，因此被称为非磁性体磁芯电感。

非磁性体磁芯电感的电感值在操作温度范围内非常稳定，这是因为非导磁材料的使用使得温度系数很低。由于使用非导磁材料为介质，相比于使用铁氧体等软磁材料的电感器，非磁性体磁芯电感的电感值较低，不太适合需要较高电感量的电源转换器应用。

1.3.2 磁芯类电感

1.3.2.1 铁氧体磁芯电感

铁氧体磁芯电感是一种使用铁氧体材料作为磁芯的电感器，通常由含有镍锌（NiZn）或锰锌（MnZn）的铁氧体化合物制成，这些材料属于软磁类铁磁材料，具有低矫顽磁力。

与同体积的空心线圈相比，铁氧体磁芯电感具有更大的电感量和更高的品质因数（Q值），这意味着它们能够在同等体积下提供更优越的电气性能。

MnZn铁氧体磁芯电感

MnZn铁氧体材料通常用于制作功率电感器、电源滤波用的扼流圈等元件，适用于频率范围在0.5MHz以下的中频应用。它们能够提供高磁通密度和低损耗的特性，这使得它们在低频到中频的电力应用中表现出色。

NiZn铁氧体磁芯电感

NiZn铁氧体磁芯电感拥有较好的高频特性，被广泛应用于各种电子设备，如开关电源、射频放大器、无线通信设备等，用于实现信号的稳定传输和减少电磁干扰。

MnZn铁氧体磁芯电感和NiZn铁氧体磁芯电感的对比

MnZn铁氧体磁芯电感具有高磁导率，在低频到中频应用（低于5MHz）中表现出色。

NiZn铁氧体磁芯电感具有较高电阻率，适合在高频应用中使用，尤其是1MHz到数百兆赫兹。

1.3.2.2 压粉磁芯电感

压粉磁芯电感是一种采用粉末冶金工艺制造的软磁材料电感器，这种工艺可以生产出具有高密度和优异磁性能的磁芯。

金属磁粉芯材料在许多应用场合具有其他材料难以比拟的优势，如高的饱和磁通密度和高的磁导率。这些特性使得压粉磁芯电感在电力电子技术中有着非常广阔的应用前景。

压粉磁芯在很宽的频率范围内具有近似恒定的磁导率，这使得它们在高频应用中表现出色。

1.3.2.3 金属磁芯电感

金属磁芯电感通常指的是使用金属材料作为磁芯的电感器，金属磁芯电感通常采用具有良好软磁性能的材料，如铁硅合金、铁镍合金等。

这些材料的共同特点是具有较低的矫顽力和较高的饱和磁通密度，这使得金属磁芯电感能够在高电流条件下工作，同时保持较低的损耗。

与传统的铁氧体电感相比，金属软磁芯片电感在小型化、高功率密度方面具有优势，能够实现更高的效率和更低的成本。

1.4 按形状与结构分类

按形状与结构可分为带导线型和SMD型。

1.4.1 带导线型电感

带导线型电感的主要特点是使用绝缘导线绕制而成，这种结构使得它们能够承受较高的电流和电压。其结构主要有轴向导线、径向导线两种。

带导线型电感具有良好的饱和特性，这意味着它们在达到一定电流水平后，电感值不会急剧下降，从而保证了电路的稳定运行。同时，在实际应用过程中也可以根据不同的应用需求，选择不同的铁芯材料，如铁氧体、铁粉芯等，以适应不同的工作环境和性能要求。

1.4.2 SMD型电感

SMD型电感，也被称为表面贴装电感或片状电感，通常使用多层陶瓷材料和金属线圈制成。其结构主要有卷线型、积层型、薄膜型三种。

与传统的插件电感相比，SMD型电感具有更小的尺寸和更高的性能密度。它们能够提供更高的电感值和更好的频率响应，同时占用的空间更小。

SMD型电感采用表面贴装技术（SMT）进行安装，这意味着它们可以直接焊接到印刷电路板（PCB）上，而无需通过孔插入。这种安装方式大大提高了生产效率和设备的可靠性。

1.5 各类电感器的产品定位

电感器在电子电路中扮演着至关重要的角色，不同类型的电感器根据其设计和材料的特性，在产品定位上有所差异。以下是一些常见的电感器类型及其产品定位：

二、电感的主要参数

2.1 电感值

电感量L是描述线圈由于电流变化而在本线圈或另一线圈中引起感应电动势效应的物理量，它是自感和互感的总称。计算公式如下：

L—线圈电感，单位 H

μ—芯柱的磁导率，单位 H/m

N—线圈的总匝数

S—线圈的横截面积，单位 m²

l —线圈轴长，单位 m

从公式上看，电感值与芯柱的磁导率、线圈的横截面积的平方、线圈的横截面积成长正比，与线圈的轴长成反比。

电感量L的大小在实际应用中具体影响:

① 储能能力：电感量L较大的电感器能够储存更多的磁能，这意味着在电流变化时，它能够提供更大的能量储备。在电源电路中，这有助于减少电压波动和提供更稳定的电流输出。

② 滤波效果：电感量L较大的电感在滤波电路中可以更有效地抑制高频噪声，因为它们对交流信号呈现的阻抗更大，尤其是对于高频率的信号。

③ 电流变化：电感量L较大的电感器会使得电流的变化更加平滑，这在开关电源中尤为重要，因为它可以减少开关瞬间产生的电压尖峰，保护电子设备免受损害。

④ 谐振频率：在LC谐振电路中，电感量L与电容器的电容值共同决定了电路的谐振频率。电感量L越大，谐振频率越低，这对于调谐电路和滤波器的设计至关重要。

2.2 精度

电感的精度是指电感值的实际测量值与标称值之间的偏差，这个偏差通常以百分比来表示。电感器的精度是其重要参数之一，它决定了电感器在电路中的性能稳定性。

常见的电感精度标注主要分为J、K、M、N这4个不同的等级。其中J级精度最高，表示电感感量偏差在±5%以内。N级精度最低，表示电感感量偏差在±30%以内。除了这些常见的精度等级，还有贴片高频电感，这类电感主要应用在射频电路中，其精度范围通常分为W、B、C、D几个档位。在这些应用场景中，感值越小，对精度的要求通常越高。完整精度偏差对应如下表所示：

影响电感精度的几个关键因素：

① 温度特性：电感器的电感值可能会随着温度的变化而发生变化。因此，选择具有良好温度特性的电感器对于确保在不同温度下电路的稳定性和性能至关重要。例如，铁氧体材料制成的电感器，其电感值会随着温度的升高而降低，因为高温会导致铁氧体材料的磁导率下降。

② 材料磁导率：不同材料的磁导率不同，例如空芯线圈的磁导率为1，而铁磁性材料（如铁氧体或金属粉末）的磁导率较高，这意味着可以在较小的体积内获得较高的电感值

③ 生产工艺：电感器的生产过程中，线圈的绕制精度、磁芯的材料和形状等都会影响最终产品的电感精度。高精度的电感器在生产过程中会有更严格的公差控制，以确保电感量的一致性。

2.3 直流电阻

电感的直流电阻，也称为DCR（Direct Current Resistance），是指电感器在直流电流下表现出的电阻值，它反映了电感器在工作时由于导线（通常是铜线）而产生的能量损耗，即铜损。

计算电感器在工作时由于电流导致的功率损耗可以参考以下公式：

Pcu—铜损

Irms—电流的有效值

DCR—直流电阻

在设计和使用电感器时，了解和计算直流电阻对于预测和优化电路的性能是非常重要的，选择DCR较小的电感器有助于提高电路的效率、性能和可靠性：

① DCR越小，意味着电感器在工作时的能量损耗越小，有助于提高电路的整体效率。

② DCR越小，信号的衰减就越小，这有助于提高信号的质量和传输效率。

③ DCR越小，其在工作中产生的热量也就越少，这有助于减少电感器的发热问题。

2.4 感抗

电感的感抗是电感对交流电流的阻碍作用，它描述了电感元件在交流电路中对电流变化的抵抗程度，与电感量和交流电频率成正比。

计算公式如下：

XL —感抗，单位是欧姆（Ω），它只适用于交流电路，因为它是由电流变化产生的

ω —角频率，单位是弧度每秒（rad/s），ω= 2πf

f —交流电的频率，单位时赫兹（Hz）

L —电感的电感量，单位是亨（H）

感抗的大小取决于两个因素：电感量L和交流电的频率f。电感量越大或频率越高，感抗就越大。这意味着在高频交流电流中，电感对其阻碍作用更显著。

由于电感的感抗，通过电感的电压和电流会出现相位差，这是交流电路中电感特性的一个标志。具体来说，电感会使电流滞后于电压，即电流的波峰会比电压的波峰出现得更晚。

电压的瞬时值表达式：

电流的瞬时值表达式：

对于纯电感电路，电流滞后电压 90度，如向量图所示：

当交流电流通过电感时，电感会将电能转换为磁能储存起来，并在适当的时候再释放出来。这种能量转换过程与电感量有关，电感量越大，储存的能量也越多。

2.5 分布电容

电感的分布电容是指电感线圈中各匝之间存在的微小电容，这些电容在高频时对电路性能有显著影响。

分布电容是由于电感线圈的不同匝之间，或者电感与其他邻近导体之间，由于绝缘材料的介电特性而形成的电容。例如，在多层绕组的电感器中，不同层之间的线圈会构成分布电容。这些电容虽然很小，但在高频操作时，它们可以形成信号传输路径，从而影响电路的行为。

分布电容的大小取决于多种因素，包括线圈的几何结构、绕制方法、匝数以及绝缘材料的电气特性。在设计电感时，可以通过优化这些参数来减小分布电容的影响。

在低频应用中，分布电容通常可以忽略不计。然而，随着频率的增加，分布电容会导致信号延迟，并可能引起电感的自谐振，从而改变电感的阻抗特性。因此，在高频电路设计中，理解和控制分布电容变得尤为重要。

为了最小化分布电容的影响，设计师可能会采用特定的绕制技术，如交叉绕制或分层绕制，以减少相邻匝之间的电容。此外，选择低介电常数的材料作为线圈的绝缘材料也有助于减小分布电容。

2.6 频率特性

电感的频率阻抗特性是电子电路设计中的一个重要概念，它描述了电感在不同频率下的阻抗表现。研究电感的频率特性我们需要了解电感的高频模型，高频模型通常包括电感量L、电阻R以及可能的寄生电容C，如下图所示：

电感量L：表示电感元件存储磁能的能力，是电感的基本属性。

电阻R：所有电感器都有导线，而导线具有一定的电阻值，这部分电阻会影响电感的性能，尤其是在高频时，由于趋肤效应和邻近效应，电阻可能会增加。

寄生电容C：在高频操作中，电感器的线圈之间可能会形成电容效应，这被称为寄生电容。这种电容在低频时影响不大，但在高频时可能导致电感的阻抗降低，甚至在某些频率下产生自谐振现象。

理想电感的阻抗频率曲线

理想电感的阻抗频率曲线的关系呈线性，即Z=jwL，其中w是角频率，L是电感量。如下图所示：

实际的阻抗频率曲线

实际电感的阻抗曲线在谐振频率之前呈上升趋势，之后则因为寄生电容的影响而开始下降。即在频率较低时，实际电感的阻抗与理想电感相似，可以近似看作是理想的电感；当频率增加接近谐振频率（SRF）时，实际电感的阻抗会达到一个最大值。超过谐振频率后，由于寄生电容的影响，电感的阻抗随着频率的增加而下降，此时电感表现出容性特性。如下图所示：

2.7 自谐振频率

电感的自谐振频率（SRF）是指在电感器内部，由于寄生电容的存在，与本征电感发生谐振的频率点。电感器的自谐振频率可以通过公式计算得出：

当工作频率低于自谐振频率时，电感器件表现出电感性，其阻抗随着频率的升高而增大。当工作频率高于自谐振频率时，电感器件表现出电容性，其阻抗随着频率的升高而减小。

在实际应用中，通常建议选择自谐振频率远高于工作频率的电感，这样可以确保电感在其工作频率范围内表现出较为理想的电感性。按照经验值，电感的工作频率一般选择为SRF的1/10以下，这样可以使电感受寄生电容的影响较小，电感值相对来说更精确。

自谐振频率的存在会影响电感的性能，包括其阻抗、能量损耗以及电感值本身。在某些类型的电感器中，如铁氧体电感，其电感值可能会随频率的增加而变化，这主要是由于材料的磁导率随频率的变化而变化所引起的。

2.8 电流参数

电流参数最常见的有温升电流Itemp、RMS电流、饱和电流、额定电流。

温升电流Itemp：一般认为当电感器的温度在环境温度的基础上升高40℃时，通过电感器的直流电流。也有厂家会分别给出温升20℃和40℃各自的温升电流值。

RMS电流：电感的RMS（Root Mean Square，均方根）电流是指在交流（AC）电路中，电感器可以持续承受而不损坏，且不会超过其额定温度上升的最大电流的有效值。对于正弦波交流电，RMS电流等于峰值电流的 1/√2（约等于0.707）。例如，如果一个电感器的RMS电流额定值为1 A，则它的峰值电流额定值大约为1.414 A。

饱和电流Isat：当通过电感器的电流增加时，磁芯中的磁通量也会增加。在未达到饱和点之前，磁通量与电流成正比。然而，磁芯材料有一个最大磁通密度（Bmax），一旦达到这个值，磁芯就会饱和，无法进一步增加磁通量。饱和电流（Isat）是指电感器在磁芯达到磁饱和状态时的电流值。（大部分电感厂商一般取电感值下降到20%的电流为Isat，也有少量厂商设为下降30%或者10%）

额定电流（Rated current）：电感的额定电流是指在特定环境条件（如温度、散热条件等）下，电感器可以持续工作而不损坏或导致性能下降的最大电流值。广义的额定电流包括“温升电流”和“饱和电流”，哪个参数较小，就等同于哪个参数。