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前言

本文将详细介绍磁性元件的原理、种类、应用及选型。

一、电感

1、原理

电感定义：当电流通过线圈后，会产生磁场，磁感线穿过线圈，产生的磁通量与电流 i 有如下关系：φ = Li，L 即为线圈的自感系数，也就是电感。电感的单位是亨(H)，也常用毫亨(mH)或微亨(uH)作单位，电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量
法拉第电磁感应定律：当通过线圈的磁通发生变化，在线圈两端就要产生感应电动势，并且感应电动势的大小正比于磁通的变化率，即有下面公式：

从这个公式中，我们也可以得出以下特性
1、不能让电感电流突变
电流突变会造成 di/dt 的值无限大，也就是说在电感两端产生无限大的电压，这通常会对电路造成破坏，需要尽量避免。
2、电感在直流电路中相当于短路
直流电路中，di/dt 为 0，产生的感应电动势为 0，也就是说电感在直流电路中相当于短路。
3、电感两端加恒定电压时、电流线性增大或者减小
在电感两端加上恒定电压 U 时，感应电动势与所加电压相等，方向相反，等于-U（负号表示感应电动势要阻止电流变化）。根据上述公式，di/dt=U/L=常数，这说明电感的电流是线性的增加的。
能量公式：电感是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，储存的能量公式为：
E = (LII)/2
注意，单位是焦耳 J。
这个公式能看出什么呢？电感的储能是要有电流流过的，如果电流为 0，那么储能为 0。
从能量角度看电感如何产生高压：
根据能量守恒定律，能量不能直接消失，只能从一种转换为另外一种。从这个角度来说，如果突然断开电感的回路，即电感电流突然为 0，原来储存的磁量需要被快速转换为其它能量，这里一般就是电能了，如果没有明显的路径去释放，就会产生高压。实际电路中总会存在寄生电容，可以理解为这时能量转换到了寄生电容里面，因为寄生电容都很小，所以会产生比较高的电压，也是因为寄生电容的存在，所以实际电路不会产生无限高压。
电感定义式：导线电感值
载流导线总是闭合的，包围的面积越大，磁通量也越大，电感也越大。一段导线总是自感的一部分。
导线长度为 l（m），直径为 d（m），磁导率为 u=u0，则电感为：

例：一段直径为 1mm，长为 50cm 的铜连接线的低频电感量：

从公式可以得出如下结论：
①线长越长，电感越大
②线越细，电感越大
这两个结论对我们理解寄生电感很有帮助，要想减小寄生电感，走线要尽量短，尽量粗。也能大致看出为什么地平面是低电感路径。
不带磁芯电感
圆导线做成的单层圆柱形线圈电感：

D：线圈的平均直径（m）；
l： 线圈的轴向长度（m）；
k：与 D/l 有关的常数，可采用以下的拟合公式

上式中的 a，b，c 关系如下表，与实际误差在 5%以下

由公式可以得到如下结论：
①电感与匝数的平方成正比，但是匝数越多，轴向长度越长，会使 k 减小
②电感与线圈的直径成正比，直径越大，电感越大。
例：用 1.6mm 铜导线绕成 1 层圆柱形电感，共 20 匝。圆柱平均直径 2cm，柱长 4cm，求电感量？
答：因为 D/l 小于 1，从拟合表得到
a=1.2317，b=3.745，c=3.05
因此，k=1.232xln0.5+0.5x3.745+3.05=4.08
从而：

带磁芯电感
当电感线圈有磁芯时，因磁芯的磁导率比周围空气的磁导率高得多，磁通被限制在磁路中。即使高磁
导率磁芯在磁路中开有气隙，散磁发生在气隙附近，其它部分散磁较少。
其电感值的公式为：

电感量与其磁导率、匝数 N 的平方、及等效磁路截面积 Ae 成正比，而与等效磁路长度 le 成反比。

低频：集总参数模型

高频：分布参数模型

2、种类

1、制作工艺

(1)绕线电感

(2)叠层电感

(3)薄膜电感

(4)一体成型电感

2、用途

（1）谐振
产生谐振，必须有电容和电感同时存在于电路中。谐振电路中，电感必须具有高Q值、低电感值偏差、稳定的温度系数。
1)高Q值保证电路具有尖锐的谐振峰值。
2)低电感值偏差保证谐振频率偏差尽量小。
3)稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度特性。
（2）滤波
滤波电路是使某一特定频率范围的信号通过或截止的电路，以其滤波特性分类，可分为低通(low pass)、高通(high pass)、带通(band pass)及带阻(band reject)等。
（3）扼流
在功率应用场合，作为扼流圈使用时，电感的主要参数是直流电阻（DCR）,额定电流，和低Q值。当作为滤波器使用时，希望宽的带宽特性，因此，并不需要电感的高Q值特性；低的DCR可以保证最小的电压降 。
（4）储能
电感本身就是一个储能元件，以磁场方式储能。其储存的电能与自身的电感和流过它本身的电流的平方成正比：E= LI2/2。
电感的特点是通过的电流不能突变。电感储能的过程就是电流从零至稳态最大值的过程。

3、参数

1、测试条件

1)测试波形：正弦波信号
2)测试频率：根据应用频率范围，选择合适的测试频率（功率电感、差模电感通常为1KHz）。
3)测试电压：通常是一个小幅值电压：0.1V、0.3V、1V

2、电感量L

电流流经电感时产生磁场，而磁场的变化会产生电流的反方向感应电压，这种抑制电流变化的特性成为电感。电感量表示线圈本身固有特性，与电流大小无关，电感的单位是亨(H)，也常用毫亨(mH)或微亨(uH)作单位。影响电感值的主要因素:磁芯材质、形状与尺寸，绕线的圈数与形状，温度，测试频率等。

电感的标称容量和容量偏差依据以下标准值：E6(M=20%)、E12 ( K=10%)、 E24 ( J=5%；G=2%) 、E96 (F=1%)。
电感的精度并不高，一般标称值为±20%或者±30%。

3、品质因素Q

品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R。线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关。

根据使用场合的不同，对品质因数 Q 的要求也不同。
Q 值的大小取决于实际应用，并不是越大越好。例如，如果设计一个宽带滤波器，过高的 Q 值如果不采取其他措施，将使带内平坦度变坏。在电源退耦电路中采用 LC 退耦应用时高 Q 值的电感和电容极容易产生自谐振状态，这样反倒不利于消除电源中的干扰噪声。反过来，对于振荡器我们希望有较高的 Q值，Q 值越高对振荡器的频率稳定度和相位噪声越有利。
实际上，Q 值的提高往往受到一些因素的限制，如导线的直流电阻、磁芯损耗和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。因此，线圈的 Q 值不可能做得很高，通常 Q 值为几十至一百，最高也只有四五百。

4、直流电阻（DCR）

电感一般是由导线绕制而成的，而导线是有直流电阻的，这个电阻就叫作 DCR。
电感的 DCR 一般与电感的电感量和额定电流有关系。电感感量越大，导线的匝数越多，线长越长，
因此 DCR 越大。同等电感量，额定电流越大，导线会越粗，DCR 越小。

5、额定电流

额定电流有“温升电流IRMS”和“饱和电流ISAT”两种定义，分别具有重要的意义。
“温升电流IRMS”是以元件的发热量为指标的额定电流规定，超出该范围（40℃）使用时可能会导致元件破损及组件故障。
理想的电感是储能元件，不耗能。而实际中的电感是有损耗的，所以会发热。而温升电流，一般指电感自我温升温度不超过 40 度时的电流。为什么电感对温度有要求呢？先来看一看居里温度。居里点又作居里温度或磁性转变点。当温度高于居里点时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。居里点由物质的化学成分和晶体结构决定，不同材质的磁芯的居里温度各不相同。磁芯温度一旦超过其居里温度，它的磁导率会急剧下降，也就说在到达居里温度后，磁芯的电磁效应已无法起到作用，相对磁导率为 1，和空气差不都了。事实上，按照磁性材料生产厂家的广泛定义，在到达所定义的居里温度之前，磁导率已经开始急剧下降了。磁性材料的相对磁导率通常随温度上升而达到一个最大值，然后在达到居里温度时剧烈降低为 1。线圈电感量 L 与温度磁性材料的相对磁导率成正比，故温度变化，线圈电感量 L 也会跟着变化。

“饱和电流ISAT”是以电感值的下降到规定指标（70%）时的额定电流，超出该范围使用时可能会引起纹波电流的增加。
饱和电流为什么会存在呢？
电感一般都含有磁芯，特别是功率电感，磁芯是存在磁饱和的。什么是磁饱和呢？由于磁芯材料自身的特性，其通过的磁通量是不可以无限增大的。通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加，不管你再增加电流或匝数，就达到磁饱和了。尤其在有直流电流的回路中，如果其直流电流已经使磁芯饱和，电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化，电感器就失去了作用，这时磁芯完全饱和。当然我们并不会等到电感完全饱和。事实上，在电流比较小时，单位电流产生的磁通量与电流成正比，这个意思就说磁芯磁导率为常数。而随着电流慢慢增大，单位电流的增加产生的磁通量的增量是下降的，也就是说随着电流的增加磁导率是慢慢下降的。根据前面电感的公式，电感量是与磁导率成正比的，所以电感量随电流增大而减小。并且，不同的磁芯，电感量随电流变化的曲线不同，但是趋势是一样的，都是随电流增加而减小的。
根据电感的磁路构造的不同，磁饱和的倾向（即电感值的下降倾向）有所不同。对于开磁路类型，随着直流电流的增加，到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值，但以规定电流值为界电感值急剧下降。相反，闭磁路类型随着直流电流的增加，透磁率的数值逐渐减少，因此电感值缓慢下降。

6、谐振频率SRF（Self Resonant Frequency）

电感本身的分布电容与电感在特定频率上会产生谐振现象，这个特定的频率就是SRF，通常标注最小值。低于SRF的频率时，电感线圈呈感性；高于SRF时，电感线圈呈容性。在SRF点上，线圈呈高阻抗的纯阻性。 SRF只与线圈的圈数、结构和材料有关。实际应用中，通常使工作频率小于SRF，高于SRF时，电感线圈已失去其感性意义。

电感选型时，自谐振频率如何考虑呢？
1、当电感用扼流圈使用时，如射频放大器输出端的直流供电电感时，应该让信号的最高频率在电感
的自谐振频率处。
2、在其它应用，滤波器电路，或者是匹配电路时，电感值在信号带宽内应该尽可能的恒定。此时，
电感的自谐振频率要比信号最高频率高 10 倍。

7、磁芯损耗

磁芯损耗主要由两种构成，磁滞损耗和涡流损耗。
磁滞损耗
磁芯在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：前者转为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。

磁化磁芯一周期，单位体积磁芯损耗的能量正比于磁滞回线包围的面积。磁滞损耗，是不可恢复能量。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。可恢复的能量部分表现在电路中是电感的储能和放能特性；不可恢复能量部分表现为磁芯损耗发热。
涡流损耗
如下图，根据电磁感应定律，通电线圈产生磁场 B，如果电流是交变的，那么产生的磁场也是变化的。变化的磁场在磁芯上面产生电场 e，并且这个电场是环形电场。因为磁芯材料的电阻率一般不是无限大的，会有一定的电阻值，那么感生出的环形电场会使磁芯中形成环形电流。电流流过电阻，就会发热，产生损耗，这就是涡流损耗。

4、应用与选型

一般电感应用在信号处理和电源两个方面，信号处理选择小封装的叠层电感，电源电路因为要通过大电流，所以选择大封装的功率电感

二、共模电感

1、原理

共模电感(Common mode Choke)，也叫共模扼流圈，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。
共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流）流经两个绕组时方向相同，产生的磁通量同向相加，扼流圈呈现高阻抗，从而起到抑制共模噪声的作用；信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反，产生的磁通量相互抵消，扼流圈呈现低阻抗。理想的共模扼流圈对L（或N）与E 之间的共模干扰具有抑制作用，而对L 与N 之间存在的差模干扰无电感抑制作用。
对理想的电感模型而言，当线圈绕完后，所有磁通都集中在线圈的中心内。但通常情况下环形线圈不会绕满一周，或绕制不紧密，这样会引起磁通的泄漏。共模电感有两个绕组，其间有相当大的间隙，这样就会产生磁通泄漏，并形成差模电感。因此，共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。

2、参数

（1）电感
电感L表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。影响电感值的主要因素:磁芯材质、形状与尺寸，绕线的圈数与形状，温度，不同的测试频率等。
（2）直流电阻
直流电阻为电感在非交流电下测得的电阻。影响直流电阻的主要因素：绕线的圈数与形状，温度等。
（3）额定电流
额定电流有“基于自身温度上升的额定电流”和“基于电感值的变化率的额定电流”两种定义，分别具有重要的意义。
“基于自我温度上升的额定电流”是以元件的发热量为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。
“基于电感值的变化率的额定电流”是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会引起纹波电流的增加。
根据电感的磁路构造的不同，磁饱和的倾向（即电感值的下降倾向）有所不同。对于开磁路类型，随着直流电流的增加，到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值，但以规定电流值为界电感值急剧下降。相反，闭磁路类型随着直流电流的增加，透磁率的数值逐渐减少，因此电感值缓慢下降。
（4）阻抗频率特性
共模电感的总阻抗由两部分构成，一部分是串联感抗（Xs），另一部分是串联电阻（Rs）。在低频时，电抗是阻抗的主要部分，但随着频率升高，磁导率的实部减小，磁芯损耗增大，这两个因素综合起来有助于在整个频谱上实现可接受的阻抗（Zs）。

（5）插入损耗
共模扼流圈插入损耗特性是由其在干扰频谱下的阻抗特性来衡量的。共模扼流圈插入损耗特性的测量主要通过LISN来实现 。

频率范围为0.01~1MHZ时，阻抗主要取决于线圈电感L。
频率范围为1~10MHZ时，阻抗主要取决于绕组分布电容CK。
频率范围为>10MHZ时，阻抗与绕组电容、主回路电感、漏电感和磁芯铁损与铜损所组成的并联电路有关（ZS为等效阻抗）。

3、应用与选型

（1）磁材选择
开关电源正常工作频率在20KHz以上，而电源产生的有害噪声通常是开关频率的高次谐波（通常在100KHz～50MHz 之间）。对于开关电源的共模电感，需要选择适当、高效率比的铁氧体，在有害噪声频带内提供高阻抗。多数情况下，共模电感使用铁氧体；差模电感使用铁粉芯。
铁氧体可分为两类：镍锌类和锰锌类。
镍锌材料初始磁导率低（<1000µ），在低频时不能产生高阻抗；当噪声频率大于10 或 20MHz 时，它们是最常用的材料。
锰锌材料的磁导率高（＞5000µ），适用于抑制10kHz到50MHz范围内的电磁干扰。
铁粉芯绝缘，线圈与磁芯之间的电容较小，杂散电容以匝间电容为主。铁粉芯的最大优点是不容易饱和，一般作为差模电感的磁芯使用。
（2）磁芯选择
高磁导率铁氧体有多种形状：环形磁芯、E型磁芯、罐型磁芯、RM和EP磁芯等等。考虑到生产效率和成本，前两种的用量最大。
环形磁芯
环形磁芯是整个零件，而其他形状磁芯由两半构成。磁芯由两半构成时，必须研磨结合面（产生镜面般的表面），从而使气隙最小；半形磁芯导致整个部件的有效磁导率降低（一般大约减小30％）。
环形磁芯的线圈需要专用绕线机或者人工绕制。
E形磁芯
线圈先绕到具有分割板的骨架上，最后安装E形磁芯，加工简单。E形磁芯的泄漏电感，在共模电感可能起到差模电感的作用。
（3）参数估算
以下给出环形磁芯的设计步骤，为了尽量减小绕组电容和防止由于不对称绕组引起的磁芯饱和，经常应用单层设计（假设两个相反的绕组之间的最小自由空间为30度）。
额定电流决定导线规格。保守的 400A/cm2 电流密度不会在导线上产生有效的热量，据此推算出导线截面积。

在给定的频率范围，规定一个最小的电感阻抗。电感可计算为：
Ls=Xs/2πf。
查表选择磁芯尺寸、材料, 选择材料时要考率许多因素，例如工作温度、频率范围和成本。
计算匝数，多数铁氧体制造厂家会给出所生产磁芯的电感系数（AL）值，这样计算匝数就方便很多。
（4）需要考虑的其他影响因素
磁性材料的居里温度。
磁芯材料的绝缘涂层因受热或强洗涤剂而受损。
密封剂的热膨胀系数导致的应力。
绕制导线产生的绕组应力。
漏磁通可能导致磁芯材料饱和，或至少使工作点从BH回路的原点偏移至磁导率增量（µ∆）较小的点。

三、磁芯

1、原理

实际使用的电感，中间通常都会存在磁芯，使用磁芯的目的是为了以更小的体积获得更大的电感量，
因为它相对空气有很大的磁导率，磁导率类似电容里面中间介质的介电常数。但也是因为电感磁芯的不
同，电感的各个参数差异很大。
用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件，中心的铁芯材料最是影响电感器之特性，如阻抗与频
率、 电感值与频率、或铁芯饱和特性等。 以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较，以作为
选择功率电感的重要参考。

1、 基本概念

（1）磁通量Φ
1)磁感应强度为B的匀强磁场中，面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通。
2)Φ=BS，当S与B的垂面存在夹角θ时，Φ=BScosθ。
3)国际单位制SI中，磁通量的单位是韦伯，符号是Wb。Φ是标量，正负代表磁场穿过的方向。
4)闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生感应电流，这种现象叫电磁感应。
5)法拉第电磁感应定律：任何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化率。

长度为 的导体，以速度 在磁感应强度为 的匀强磁场中做切割磁感线运动时，产生的感应电动势

（2）磁感应强度B
1)磁感应强度（magnetic flux density）是描述磁场强弱（贯穿标准面积的磁通量）和方向的基本物理量，也被称为磁通密度，B=Φ/S。
2)单位：按照国际单位制磁感应强度的单位是特斯拉，其符号为T：

1.无限长载流直导线外距离导线r处：磁感应强度B=μI/2πr
其中μ=4π×10-7N/A2，为真空磁导率。
r为该点到直导线距离。
2.圆电流圆心处：磁感应强度B=μI/2r
3.无限大均匀载流平面外：磁感应强度B =1/2×μα，α是流过单位长度的电流。
4.一段载流圆弧在圆心处：B=μIφ/4πR
　　其中，φ是该圆弧对应的圆心角，单位为弧度。
5.恒定电流在其周围产生的磁场（毕奥-萨伐尔定律）：　dB=(μIdlXe)/(4π*r2)，Idl表示恒定电流的一电流元，r表示从电流元指向某一场点P的径矢 。

（3）磁场强度H
为了描述磁场源的特性，也为了方便数学推导，引入一个与介质无关的物理量H，H=B/u0-M，式中，u0为真空磁导率，M为介质磁化强度。这个物理量，就是磁场强度。磁场强度的单位是安/米（A/m）。
（4）磁导率
电流产生磁场，但电流在不同的介质中产生的磁感应强度是不同的。
例如，在相同条件下，铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性，将不同的磁介质用一个系数 µ 来考虑，µ 称为介质磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中，µ 越大，介质中磁感应强度 B 就越大。
真空中的磁导率一般用 µ0 表示。空气、铜、铝和绝缘材料等非磁材料的磁导率和真空磁导率大致相同。而铁、镍、钴等铁磁材料及其合金的磁导率都比 µ0 大 10～100000 倍。
最初，将真空磁导率 µ0 定为 1，其他材料的磁导率实际上是真空磁导率的倍数。沿用了很长时间，并影响到一些基本关系式的表达，就是在公式中经常出现的 4π，现在英美还在应用，这就是非合理化单位制(CGS 制)的来由。但是，近代物理经过测试，实际真空磁导率为：μ0 = 4π × 10−7 H/m
因此其他材料的实际磁导率应当是原先磁导率乘以 µ0。因为在 µ0 中包含了 4π，这样在所有表达电磁关系的公式中没有了讨厌的 4π，形成了所谓合理化单位制（ MKS 制）。这里将其他材料磁导率高于真空磁导率的倍数称为相对磁导率 µr。

2、物质的磁性

首先来说下物质的磁性是怎么来的。所有物质的磁性都是电流产生的，永久磁铁的磁性就是分子电流
产生的。
所谓分子电流就是磁性材料原子内的电子围绕原子核旋转形成的。

电子运动形成一个个小的磁铁，这些小的磁体在晶格中排列在一个方向，形成一个个小的磁区域，也就是磁畴。正是磁铁里面的磁畴整体排列有方向，因此宏观上我们看到磁铁有磁性。
我们使用的磁芯一般是软磁铁，如果没有磁化过，里面的磁畴是乱序的，所以对外不显示磁性。

磁芯如何使电感值增大
为什么电感线圈里面加个磁芯，电感值会增大很多？
在线圈没有磁芯的时候，给线圈通过一定的电流，根据电生磁原理，这时会有磁场穿过线圈，假定这时产生的磁场强度为 H。

如果这时候线圈中有磁芯，磁芯中的部分磁畴会在磁场强度 H 的作用下有序排列，这些磁畴会产生与原磁场方向相同的磁场，并且比 H 大的多，所以总的磁场会增大很多，二者叠加后的磁场强度称为 B。

这种增大磁场的能力，有一个参数，叫磁导率 µ，B=µH。前面的解释是为了便于理解。事实上 µ 的严谨的定义是这样的。在相同条件下，铁磁介质中所产生的磁感应强度比空气介质中大得多。为了表征这种特性，将不同的磁介质用一个系数 µ 来考虑， µ 称为介质磁导率，表征物质的导磁能力。在介质中， µ 越大，介质中磁感应强度 B 就越大。
为什么电感有饱和电流
前面说到，因为磁芯里面磁畴的有序排列，使得电流产生的磁场被大大加强。电流越大，有序排列的磁畴也越多，产生的磁场也越大，穿过线圈的磁通量也越大，基本是和电流成正比的。电感定义就是线圈的自感系数，等于磁通量与电流的比值，所以正常情况下，电感 L 为常量。
当电流达到一定程度，这个时候磁芯里面所有的磁畴已经都有序排列了，即使再增大电流，已经没有多余的磁畴能有序排列来增加磁场了，所以，磁场强度基本不增加。这个时候，我们就说电感已经饱和了，电流增大，而磁通量不再增加，电感值等于磁通除以电流，所以电感值下降。通常，我们实际用的电感，饱和电流一般定义为电感值相对初始值下降了 30%时对应的电流值。

3、磁滞回线

磁化过程
如将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度 B，得到磁通密度和磁场强度 H 之间关系，并用 B-H 曲线表示，该曲线称为磁化曲线。

没有磁化的磁介质中的磁畴完全是杂乱无章的，所以对外界不表现磁性。
当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向，磁感应 B 随外磁场增加而增加，特性为上图中的 o-a 段曲线。如果将外磁场 H 逐渐减少到零时，B 仍能沿 ao 回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，故这一段磁化是可逆的。
当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向，此时磁感应 B 随 H 增大急剧上升，如磁化曲线 a-b 段。如果把a-b 段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，B 将不再沿 ba 段回到零，过程是不可逆的。磁化曲线到达 b 点后，大部分磁畴已趋向了外磁场，从此再增加磁场强度，可转动的磁畴越来越少了，故 B 值增加的速度变缓，这段磁化曲线附近称为磁化曲线膝部。从 b 进一步增大磁场强度，只有很少的磁畴可以转向，因此磁化曲线缓慢上升，直至 c 点，材料磁性能进入所谓饱和状态，随磁场强度增加 B增加很少，该段磁化曲线称为饱和段。这段磁化过程也是不可逆的。
从材料的零磁化状态磁化到饱和的磁化曲线通常称为初始磁化曲线。

磁滞回线
典型的磁滞回线如下图，下面来讲这个曲线是什么意思。

如果将铁磁物质沿磁化曲线 OS，由完全去磁状态，磁化到饱和 Bs，此时如将外磁场 H 减小，B 值将不再按照原来的初始磁化曲线 OS 减小，而是更加缓慢地沿较高的 B 减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场 H=0 时，B≠0，即尚有剩余的磁感应强度 Br 存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。磁感应强度 B 的改变滞后于磁场强度 H 的现象称为磁滞现象。
如要使 B 减少，必须加一个与原磁场方向相反的磁场强度-H，当这个反向磁场强度增加到-Hc 时，才能使磁介质中 B=0。这并不意味着磁介质恢复了杂乱无章状态，而是一部分磁畴仍保留原磁化磁场方向，而另一部分在反向磁场作用下改变为外磁场方向，两部分相等时，合成磁感应强度为零。
如果再继续增大反向磁场强度，铁磁物质中反转的磁畴增多，反向磁感应强度增加，随着-H 值的增加，反向的 B 也增加。当反向磁场强度增加到-Hs 时，则 B=-Bs 达到反向饱和。如果使-H=0,B=-Br，要使-Br 为零，必须加正向 Hc。如 H 再增大到 Hs 时，B 达到最大值 Bs，磁介质又达到正向饱和。这样磁场强度由 Hs→0→- HC→-Hs→0→HC→Hs，相应地，磁感应强度由 Bs→Br→0→-Bs→- Br→0→Bs，形成了一个对原点 O 对称的回线，称为饱和磁滞回线，或最大磁滞回线。
在饱和磁滞回线上可确定的特征参数：
①饱和磁感应强度 Bs
是在指定温度(25℃或 100℃)下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质时，磁化曲线达到接近水平时，不再随外磁场增大而明显增大(对于高磁导率的软磁材料,在 µr=100 处)对应的 B 值。
②剩余磁感应强度 Br
铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度，即为 Br。称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
③矫顽力 Hc
铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中 B 为零，需有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽磁力 Hc。
如果磁滞回线很宽，即 Hc 很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，也就是说这类材料磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。如铝镍钴，钐钴，钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。
另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体等。某些特殊磁性材料，如恒导磁合金和非晶态合金也是软磁材料。可见，所谓“软磁”，不是材料的质地柔软，而是容易磁化而已。实际上，软磁材料都是既硬又难加工的材料。如铁氧体，既硬又脆，是开关电源中主要应用的软磁材料。
我们使用的电感，磁芯应是软磁性材料，剩磁比较小。为什么呢？
可以这样理解，我们理想的电感是储能元件，有电流时储存能量，没电流时能量被释放，本身并不消耗能量，并且这个能量是磁场能。而实际的磁芯，电流流过时，产生磁场，有了磁场能，然后电流变为0，因为磁滞现象，磁芯会有剩磁，也就是说磁芯没有把磁场能全部还回来，自己留了一部分，这一部分其实就是磁芯的磁滞损耗了。
所以说，磁滞越大，那么损耗也就越大，为了减小损耗，电感磁芯自然就选择软磁铁材料了。另外，我们可以推断出，电流达到一定值之后，电感感量会随电流的增大也减小。因为 B=uH，所以磁导率 u 是这个曲线的斜率。可以看到，整个曲线类似于 S 型，在电流比较小时， H 与 B 基本是线性的，磁导率 u 基本不变，那么电感感量也不变。而电流比较大时，H 与 B 是非线性的，斜率逐渐变低，也就是说 u 逐渐变小，那么电感的感量也是慢慢变小的。
相信到这里，你就能明白，为什么电感规格书手册中，电感与电流的曲线是下面这样的了。

4、气隙

磁芯的气隙，是指一部分磁路是由空气构成，故称为空气间隙，简称气隙。如 EI 型磁芯，E 和 I 的结合总存在缝隙，磁路就有气隙。圆形磁环中间开个缺口，缺口处就是气隙。
气隙的作用：①气隙可以减小磁导率②增大饱和电流③增大储存能量的能力④也可以减小剩磁
下面从微观的角度来解释下这些作用产生的原因。
现在有一个圆形磁环，我们绕上线圈，通上正好使磁芯饱和的电流。正好饱和，说明里面所有的磁畴都已经有序排列了。

这时在磁环上开个气隙，去除掉一部分磁芯，那么这一部分磁畴也就被去掉了。原来在气隙处的磁畴是有序排列的，相当于是一个小磁铁，所以对气隙旁边的磁畴的有序排列有正向的作用力，现在被去掉了，所以作用力消失。气隙旁边的磁畴原来是恰好可以全部都有序排列的，现在受到的正向作用力变小了，所有就不能全部有序排列了，磁性变小，进一步导致气隙旁边的旁边的磁畴受到的作用力也变小，也没有全部有序排列，这样一个传一个，整个磁芯的磁畴没有有序排列的更多。因此，这个开了气隙的磁环是没有磁饱和的。

要想使磁畴再次全部有序排列，我们必须通上更大的电流，直到再次饱和。

因此，可以看出，增加气隙，饱和电流增大了。并且从整体上看，磁畴总的有序排列变少，那么产生的磁通也变小了，即磁导率变小了。也可以看出，气隙的增加，从整体上看，弱化了磁畴间的正向相互作用力，因此在没有电流的时候，剩磁变小了。
假定没有气隙时，完全磁饱和对应的磁场强度为 Bm，那么加了气隙以后，增大电流，使磁环的所有磁畴再次达到饱和，这时磁场强度应该是多少呢？
我们假想一下，磁环里面的所有磁畴在饱和电流时全部排列，也就是最难偏转的那个磁畴在此时正好偏转，无论我们加不加气隙，要是那个最难的磁畴发生偏转，所以它所在的地方的磁场强度就是 Bm。所以加了气隙之后，饱和时的磁场强度还是 Bm，相对于之前没有变化。与此同时，根据磁场能量密度公式

磁场能量密度为单位体积所包含的磁场能，其公式为 B 的平方除以 2μ，磁芯的储能不变。而气隙处的磁导率 μ 变成了空气，空气的磁导率一般只有磁环材料的几十分之一到几千分之一，因此，在气隙处的储能密度提升了成百上千倍

因此，气隙增大了存储能量的能力。
那么气隙是越大越好吗？
显然也不是的，因为气隙最大的时候就是没有磁环，也就是空芯电感，理论上空芯电感永不饱和，储能没有上限，只要电流够大。而实际中我们的电流总是有上限的，太大导线也承载不了。事实上，我们说气隙增大了储能上限，说的是在各自都饱和情况下的储能。而在都不饱和的情况下，通上相同的电流，不加气隙的储能更高，因为能量密度公式等于二分之一的μ乘以 H 的平方，相同电流时，H 相同，而不加气隙时磁导率更高。气隙太大，会因为磁导率太低，所以电感感量很难做上去，所以我们需要选择合适的气隙大小。
那么，什么是合适的气隙大小呢？
在电路设计中，输入输出电流的最大值，还有电感值通常是确定的。所以我们在保证通以最大电流时，电感磁芯不发生饱和，因此气隙不能太小，否则很容易饱和。同时考虑成本、体积等因素，又要尽量减小气隙，这样才能以更小的体积实现更大的感量，两者综合的结果，就是一个合适的气隙大小。当然，这只是从会不会磁饱和这一方面来考虑，实际中则更为复杂，需要考虑材料类型，温度，损耗，漏感等等各个方面。

磁滞回线的变化
我们来看下加气隙之后，磁滞回线的变化，这会使我们进一步理解加气隙的影响。

横轴是电流产生的磁场 H，纵轴是加磁性磁性材料后总的磁感应强度 B。我们依次来看不加气隙，小气隙，大气隙，以及空芯的磁滞回线。完全磁饱时磁感应强度都为 Bm，磁滞在没有气隙的时候最大。
因为磁场 H 主要与电流相关，所以横轴也可以看作是电流的大小，饱和电流随着气隙的增大而增
大。

储能密度为二分之一的 BH，储能大小为所形成矩形面积的一半，所以都饱和时，储能随着气隙的增大而增大。
而在都不饱和，通上相同的电流时，反而是没有气隙时的储能最大。

2、种类

1.磁粉芯
磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制成的一种软磁材料。
铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5um），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，第一隔绝涡流，适用于较高频率；第二由于颗粒之间的间隙效应,具有低导磁率及恒导磁特性；第三由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化较为稳定。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率，粉粒大小、形状以及填充系数，绝缘介质含量，成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯。
(1)铁粉芯
铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成，粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围22~100; 初始磁导率随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2)坡莫合金粉芯
坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右； 磁导率范围大(14~550); 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。主要应用于300KHz以下的高Q值滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路电感、功率因素补偿电路等。在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。
HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等, 在DC电路中常用，高DC偏压、高直流电和低交流电上用得多。价格低于MPP。
(3)铁硅铝粉芯
铁硅铝粉芯由9%Al, 5%Si, 85%Fe粉构成。主要是替代铁粉芯，损耗比铁粉芯低80%，可在8KHz以上频率下使用；饱和磁感在1.05T左右；导磁率从26~125；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生；比MPP有更高的DC偏压能力；具有最佳的性能价格比。主要应用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因素校正电路等。有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用。
2.铁氧体
软磁铁氧体(Ferrites)是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产，有MnZn、CuZn、NiZn等几类。
MnZn铁氧体的产量和用量最大，其电阻率低，一般在100KHZ以下的频率使用。
CuZn、NiZn铁氧体的电阻率高，在100kHz～10MHz的无线电频段的损耗小，多用在无线电用天线线圈、无线电中频变压器。
随着软磁铁氧体的出现，磁粉芯的生产大大减少，很多被软磁铁氧体所代替。
电信用铁氧体的磁导率750~2300, 具有低损耗因子、高Q值、稳定的磁导率, 是磁导率在工作中下降最慢的一种，约每十年下降3%～4%。广泛应用于高Q值滤波器、调谐滤波器、负载线圈、阻抗匹配变压器、接近传感器。
宽带铁氧体也就是高磁导率铁氧体，磁导率分别有5000、10000、15000。其特性为具有低损耗因子、高磁导率、高阻抗/频率特性。广泛应用于共模滤波器、饱和电感、电流互感器、漏电保护器、绝缘变压器、信号及脉冲变压器，在宽带变压器和EMI上多用。
功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度，为4000~5000 Gs。随频率增大、损耗上升不大；随温度提高、损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因素校正电路。
3.硅钢片铁芯
硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金称为硅钢。该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为20000高斯; 由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，机械应力影响小等优点，在电力电子行业中获得极为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯，是软磁材料中产量和使用量最大的材料，也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料，特别是在低频、大功率下最为适用。
常用的有冷轧硅钢薄板DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ，适用于各类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器铁芯，这类合金韧性好，可以冲片、切割等加工，铁芯有叠片式及卷绕式。但高频下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。
硅钢的选择要考虑两方面的因素：磁性和成本。对小型电机、电抗器和继电器，可选纯铁或低硅钢片；对于大型电机，可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片；对变压器常选用单取向冷轧硅钢片。在工频下使用时，常用带材的厚度为0.2~0.35毫米；在400Hz下使用时，常选0.1毫米厚度为宜。厚度越薄，价格越高。
4.坡莫合金铁芯
坡莫合金常指铁镍系合金(ULTRAPERM)，镍含量在30~90%范围内。是应用非常广泛的软磁合金。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过十万的初始磁导率、超过一百万的最大磁导率、低到千分之二奥斯特的矫顽力、接近1或接近零的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1微米的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。
5.非晶及纳米晶软磁合金铁芯
硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。
非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域。它的制备技术完全不同于传统的方法，而是采用了冷却速度大约为每秒一百 万度的超急冷凝固技术，由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。
（1）铁基非晶合金(VITROVAC)
铁基非晶合金是由80 % Fe 及20% Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度（1.54T），磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯, 适合于10kHz以下频率使用。
（2）铁镍基钴基非晶合金
铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成,它具有中等饱和磁感应强度（0.8T）、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。
铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应, 但铁损和高的机械强度远比晶态合金优越；代替1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁镍基非晶合金是国内开发最早，也是目前国内非晶合金中应用量最大的非晶品种，年产量近200吨左右.空气中热处理不发生氧化铁镍基非晶合金（1K503〕获得国家发明专利和美国专利权。
(3)铁基纳米晶合金
铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10－20 纳米的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料. 纳米晶材料具有优异的综合磁性能: 高饱和磁感(1.2Ｔ)、高初始磁导率(8万)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30 W/kg）,电阻率为80 微欧厘米，比坡莫合金(50-60微欧厘米)高, 经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs). 是目前市场上综合性能最好的材料; 适用频率范围：50Hz-100kHz，最佳频率范围：20kHz-50kHz. 广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

以实际应用而言，其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错，相对成本低，具有高性价比，因此常被
用于 EMI 滤波电感。
锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯，饱和磁通密度也相差很多，铁氧体约 5000 高斯而铁粉芯大
于 10000 高斯以上。
铁芯饱和特性各有不同；一旦超过饱和电流，铁氧体铁芯的磁导率会陡降，而铁粉芯则可缓慢降低。
下图所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。

这也解释了铁氧体铁芯电感，因磁导率在铁芯饱和时骤降，因电感量与磁导率成正比，因此造成电感
量骤降；而粉末铁芯，磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降，因此电感量也降低得比较缓和，即有较好的直流
偏置特性。在电源转换器的应用中，此特性很重要；若电感的缓饱和特性不佳时，电感电流上升到达饱和
电流，电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升，容易造成损坏。

3、参数

(1)饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
(2)剩余磁感应强度Br：磁滞回线的特征参数，H回到0时的B值。
(3)矩形比：Br∕Bs
(4)矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
(5)磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。
(6)初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
(7)居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。
(8)损耗P：磁滞损耗及涡流损耗
(9)磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）

四、磁珠

1、原理

磁珠由氧磁体材料组成，目前最常见的是铁氧体，一般是铁镍合金或铁镁合金，采用与陶瓷相似的制造工艺。铁氧体材料的磁导率很高，对于高频信号有很好的抑制效果，专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，同时具有吸收静电放电脉冲干扰的能力，属于耗能元件。
磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻R和电感L的串联，电阻值和电感值不是固定不变的，而是随着频率变化而变化。在高频段，磁珠能在比较宽的频率范围内保持阻性，因此其高频滤波特性优于普通的电感,有很好的高频滤波效果。
在低频段,磁珠的电抗主要表现为感抗，电阻值很小。此时，电磁干扰会因为反射而被抑制,由于铁氧体磁介质在此时的损耗很小，因此此时的磁珠可以等效为一个低损耗、高Q值特性的电感。这种特性决定了磁珠在低频时容易造成谐振。所以，在低频场景往往会出现使用磁珠后干扰反而会增强的问题。
在高频段,磁珠的电抗主要表现为阻抗。铁氧体磁介质的磁导率会随着频率的升高而降低，导致磁珠的电感量减小、感抗成分减小。所以，高频信号通过磁珠时，会转换成热能耗散掉。
电感量的大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长,抑制效果越好。

磁珠和电感最大的区别是，磁珠是耗能元件电成理论上是不耗能的。另外,电感的导磁体是不封团的，典型结构是磁棒，磁力线-部分通过导微体(磁棒)， 还有一部分是在空气中的;而磁珠的导磁体是封闭的，典型结构是磁环,几乎所有磁力线都在磁环内，不会散发到空气中去。磁环中的磁场强度不断变化，会在导磁体中感应出电流，选用高磁滞系数和低电阻率的导磁体就能把这些高频能量转换成热能消耗掉。而电感则相反，要选低磁滞系数和高电阻率的导磁体，以尽可能的使电感在整个频带内呈现致的电感值。 所以，结构和导 磁体的差异决定了磁珠和电感的本质差异。
电感主要应用在开关电源，以及谐振、阻抗匹配及特殊滤波等场合，而磁珠主要用于防止辐射,对EMC的改善要远优于电感。
磁珠消耗高频信号，能够避免对外的“磁泄漏”;由于导磁体不封闭，电感会泄漏大量的高频信号到外部空间,因此会引起EMI问题。

2、参数

（1）阻抗
磁珠在某一特定频率的阻抗用来衡量磁珠的性能，单位为欧姆，一般以100MHz为标准，比如600R@100MHz，即100MHz频率时磁珠的阻抗相当于600欧姆。

（2）直流电阻（D.C.R）
磁珠导体的直流电阻。
（3）额定电流
磁珠的额定电流是温升电流，一般指自我温升不超过 20-40℃的电流。

3、应用与选型

磁珠主要用于抑制EMI差模噪声，它的直流电阻很小,高频交流阻抗较大。常见的600Ω是指磁珠在10MHz信号频率下测得的交流阻抗。根据不同的应用场景,磁珠可以分为普通型磁珠、大电流型磁珠和尖峰型磁珠。
(1)普通型磁珠:主要用于电流比较小(小于600mA)、无特殊要求的场景。普通型磁珠的直流电阻一般不超过10,交流阻抗范围-般在几欧姆到几千欧姆之间，主要作用是抑制和吸收电磁干扰和射频干扰。
(2)大电流型磁珠:主要用在大电流场景，所以需要严格限制直流电阻，直流电阻般不超过0.10,交流阻抗也比普通型磁珠要小。
(3)尖峰型磁珠:主要用于对特定频率范围的信号进行衰减，实现选频功能。尖峰型磁珠的交流阻抗在某-频率范围内很高 ，在其他频率范围内很低，呈现带阻特性。
磁珠在选型时需要考虑噪声干扰、通流、封装三方面因素
(1)噪声干扰方面需要考虑噪声的频率和强度，不同型号的磁珠有不同的频率阻抗曲线，在选型时要选择噪声中心频率对应的阻抗较大的磁珠从而更好地抑制噪声。噪声干扰越大,需要选择的磁珠阻抗越大。但高阻抗磁珠也会对有用信号产生较大的衰减，所以阻抗并不是越大越好,需要综合考虑信噪比。目前对阻抗并没有明确的计算公式和选择标准，需要根据实际效果来选型，一般交流阻抗在120 ~ 600Ω的磁珠比较常用。例如，要求对100MHz 300mVpp的噪声，经过磁珠以后达到50mVpp的水平，假设负载为45Ω,那么就应该选225Ω@100MHz,DCR< 1Ω的磁珠。选择225Ω是因为(45/50) x 250= 225(Ω)。
(2)通流方面需要考虑额定电流的大小。直流电阻越大的磁珠一般额定电流越小，选型时需要根据实际情况来进行。例如，系统电源的输出电压为3.3V，负载模块的电源输入需要的额定电流为300mA. 负载模块的电源输人需要的输人电压不能小于3.0V。该负载模块的电源输人引脚需要选择直流电阻小于1Ω的磁珠，再考虑降额设计般选择0.5Ω的磁珠。 如果使用到电源芯片过电流保护功能，则需增大磁珠的额定电流。如果磁珠的额定电流过小，那么在还未触发电源芯片过电流保护功能时，磁珠就可能已经烧毁。
(3)形状和尺寸
铁氧体磁珠形状和尺寸对EMI信号的抑制性能有一定的影响。一般来说,铁氧体磁珠的体积越大,抑制效果越好。体积一定时,长而细的铁氧体磁珠比短而粗的抑制效果更好。
铁氧体磁珠选择的原则是:在使用空间允许的条件下,选择尽量长、尽量厚和内孔尽量小的铁氧体磁珠元件或者多孔磁珠，同时,磁珠的内径尺寸要与导线的外径尺寸紧密配合。
片式磁珠优势：小型化和轻量化；闭合磁路结构，更好地消除信号的串绕；磁屏蔽结构，极低直流电阻；高频特性和阻抗特性，消除寄生振荡。

五、磁环

1、原理

磁环，又称铁氧体磁环。它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用，一般使用铁氧体材料（Mn-Zn）制成。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。根据磁芯的不同分为两类：
（1）锰锌（MnZn）铁氧体
锰锌（MnZn）铁氧体磁环属尖晶石型结构，晶粒较大，结构也比较紧密，常呈黑色。
常用MnZn铁氧体，起始磁导率400到20000。适用于1MHz以下频带范围,广泛用于开关电源(SMPS)，射频(RF)变压器，共模电感，脉冲变压器，高频变压器和噪音滤波器等。
（2）镍锌（NiZn）铁氧体
镍锌铁氧体磁环晶粒细而小，并且是多孔结构，常呈棕色，特别是在生产过程中烧结温度比较低时尤为突出。
常用NiZn铁氧体，其起始磁导率100到1000之间，主要用于EMI吸收磁环。

2、参数

（1）阻抗
通常用25MHz和100MHz频率的阻抗值来表征磁环的EMI抑制特性。磁环的内外径差值越大，高度越大，其阻抗也就越大。
（2）居里温度
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。
（3）工作频率
磁芯材料决定了它最佳的工作频率,因此必须根据具体的频率来选择磁芯材料。
通常情况下，磁导率越低，适用的频率范围越宽；磁导率越高，适用的频率范围越窄。例如：μi=15的材料适用于100MHz以上场合，而μi=1500的材料仅适用于1MHz以下场合。

3、应用与选型

（1）工作原理
共模噪声电流（包括地环路引起的骚扰电流）流经磁环时方向相同，产生的磁通量同向相加，呈现高阻抗，起到抑制共模噪声的作用。
差模电流流经磁环时方向相反，产生的磁通量相互抵消，几乎没有电感量，差模信号可以无衰减地通过。因此EMI磁环在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。
（2）设计原则
1)根据干扰信号的频率特性，选择适合的磁环材质：抑制高频干扰时，宜选用镍锌铁氧体；反之则用锰锌铁氧体（1MHz以下）。
2)磁环的内外径差值越大，纵向高度越大，其阻抗也就越大，但磁环内径一定要紧包电缆，避免漏磁。
3)根据干扰电流的频率特点，调整线圈缠绕的匝数。理论上，线圈匝数越多，其阻抗越大，干扰抑制效果越明显；但多匝线圈之间的寄生电容导致高频阻抗降低。
4)磁环的安装位置应尽量靠近干扰源，即应紧靠电缆的进出口。
5)绕制在磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。
6)线圈中的铁氧体磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。
（3）效果评估
共模辐射改善 =20lg(加磁环后的共模环路阻抗/加磁环前的共模环路阻抗)。例如，如果没加EMC磁环时的共模环路阻抗为100Ω，加了EMC磁环以后为1000Ω，则共模辐射改善为20dB。
（4）铁氧体磁环磁导率测算
1)测量磁环的外径D，内径d，环的高度H，单位mm。
2)用漆包线穿绕10~20圈（根据实际需要确定穿绕的圈数N），测量其电感量L（电感量大点测算误差小，电感量小测算误差就会大）。
3)将以上数据代入下式计算磁导率u0
u0=2500L(D+d)/((D-d)HN2)

六、变压器

1、基本原理

变压器的一次绕组的交变电流产生磁动势，在这个磁动势作用下，铁芯中便有交变磁通（主磁通和漏磁通），即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能，在铁芯中同时交链原、副边绕组，由于电磁感应作用，分别在原、副边绕组产生频率相同的感应电动势（E1=4.44fN1BmS ；E2=4.44fN2BmS）。如果此时副边绕组接通负载，在副边绕组感应电动势作用下，便有电流流过负载，铁芯中的磁能又转换为电能。这就是变压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负载中的工作原理。

如果忽略绕组及铁芯损耗、不计漏磁影响，则在初级绕组中的磁通Фm所产生的自感电动势E1，根据楞次定律，其数值与所加电压相等，符号相反，即: U1=-E1；同样，次级电压U2=E2。

2、空载运行

（1）等效回路方程和等效电路



（2）空载电流
理论上，空载电流应为零（I0U1=I2U2，空载时I2=0）。实际上，空载电流I0是励磁电流IΦ(作用是建立磁场，与主磁通同相)及铁损电流IC(主要作用是供铁损耗（磁滞损耗和涡流损耗），超前于主磁通90度，即与E1反相)的矢量和，其中IΦ是无功分量（主要成分），IC是有功分量。

铁损电流IC
目前，小功率电源变压器硅钢片一般都是50WW600-50WW1000热轧无取向材质（成本低），铁损通常为5-11W/Kg（P1.5/50Hz）。100g硅钢片50WW600，铁损（P1.5/50Hz）通常大于0.5W，即IC大于2.2mA。为了降低铁损电流IC，可以采用其他低铁损硅钢片（如Z11有取向材质）,但带来的是成本提高。
励磁电流IΦ

励磁电流IΦ与铁芯磁通量和磁性材料的优劣有关，IΦ通常大于IC。制造过程中，通常调整铁芯接缝的结合程度，降低励磁电流IΦ。
减小空载电流
空载电流影响变压器的功率因数和温升，空载电流过大会造成杂散磁场，影响敏感电路以及变压器振动。
a.空载电流的大小与铁芯的磁通密度的高低（取决于铁芯结构）、磁性材料的优劣（取决于铁芯质量,如铁芯接缝紧密程度）有关。
b. 为了提高导磁性能和减少铁损，减少硅钢片厚度（0.2、0.35、0.50mm），但厚度减少后，容易导致叠片系数降低，机械加工难易系数增加。
c.硅钢片采用变更叠片数量的混合叠片模式，即将上下两层叠片的接缝错开，可缩小接缝间隙，以减小励磁电流。
d.在不增加成本的前提下，为了减小空载电流，通常将铁芯材料的B值取的很低（B值直接左右励磁电流和铁损电流的大小）。根据U=4.44fNBmS ,B值减小,意味着必须提高匝数，对于固定的骨架结构，导线变细↓，导线的直流电阻↑，铜损↑，使得变压器损耗↑、效率↓，所以在成本要求较高的情况下，不能一味的减少空载电流。
（3）空载损耗
变压器的空载损耗包括铜损和铁损，铜损主要指空载电流流过原边绕组时，绕组电阻产生的损耗；铁损由磁滞损耗和涡流损耗组成。
铜损：铜损取决于绕组导线的材料（线径、长度等）。
涡流损耗：涡流损耗指磁通穿过磁心时，产生感应电流导致的能量损耗。为减少涡流损耗，常将铁芯用许多硅钢片叠成，硅钢片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗。单位重量的涡流损耗计算公式：

磁滞损耗：磁滞损耗指铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗，每单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。经验计算公式：

（4）计算变压器空载电流、空载损耗
变压器实际应用是在负载工作状态，负载状态的各项指标是最有实用意义的。但是，大批量生产时，带负载测试有诸多的不便（效率低、能耗大、时间长），为了提高生产效率，通常用空载时的各项指标（如：空载电流等）来控制变压器负载状态的品质。

3、负载运行

（1）磁动势平衡关系

（2）等效回路方程、等效电路



折算：把副边绕组匝数看成与原边绕组匝数相等时，对副边回路各参数进行的调整。
折算原则：折算前后副边磁动势不变、副边各部分功率不变，以保持变压器内部电磁关系不变。

（3）电压调整率
电压调整率是指当输入电压不变，负载电流从零升到额定值时，输出电压的相对变化值，通常以百分数表示，电压调整率是衡量变压器负载特性的重要指标。

七、电流互感器

1、原理

电流互感器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同。根据磁势平衡原理可以得到下式 ，忽略铁芯中的能量损耗：

理想电流互感器的一次电流I1等于仪表测得的二次电流I2乘以电流互感器的额定变比。
正常工作时,电流互感器的工作状态和普通变压器的区别：
最主要的区别是电流互感器的一次电流不随二次的负载变化,它仅取决于一次电路的电压和阻抗；
电流互感器二次电路所消耗的功率随二次电路阻抗的增加而增加；
接到二次电路都是些内阻很小的仪表,如电流表以及电能表的电流线圈等,所以其工作状态接近于短路状态。

2、参数

工频绝缘强度
电流互感器二次绕组接地,在一 -次绕组与二次绕组间施加额定工频耐受电压为3kV(方均根值),当指明按II 类防护绝缘要求时，工频耐受电压为4kV(方均根值);持续1 min,漏电流设为1 mA。用耐压试验仪进行测量,电流互感器无击穿;
匝间绝缘强度
将电流互感器二次绕组开路, -次绕组通以额定频率的额定电流并维持一 分钟,互感器内匝间绝缘无损坏;
绝缘电阻
电流互感器一 次绕组对二次绕组及对地之间的绝缘电阻应大于500MΩ;
极性
电流互感器的极性为减极性,即当- 次线圈的电流从“L1"端流入时,在二次线圈中的电流从"K1"端流入外部回路(如下图所示);

电流互感器的误差分为电流误差(比差)和相位差(角差),误差值可以用互感器校验仪检定;
电流误差(比差E):互感器在测量电流时所出现的数值误差。
相位差(角差δi):一次电流与二次电流矢量的相位差。矢量方向是以理想电流互感器的相位差为零来决定的。若二次电流矢量超前一次电流矢量时,相位差为正值。通常以分( ')或厘弧度(crad)表示。
复合误差(εc):一次电流与二次电流同名端一致时, 在稳态下，下列二者(A与B)之差的方均根值:
A: 一次电流的瞬时值; B: 二次电流的瞬时值乘以额定电流比。
复合误差εc通常是按下式用一次电流方均根值的百分数表示

式中,Kn额定电流比;I1一次电流方均根值,A: i1二次电流瞬时值,A; i2二次电流瞬时值,A; T一个周波的时间，s。
如果将电流互感器在额定准确限值一次电流下的磁通密度限制在1.6T以下,忽略励磁电流和二次电流中的高次谐波,可以认为复合误差是电流误差和相位差的矢量和:

◆电流比=额定一次电流/额定二次电流;
◆精度、误差极限值

3、误差特性

误差是因为一次绕组提供励磁安匝引起的。
比差是二次电流与实际一次电流按额定电流比折算成的理论二次电流的差值，并用与后者的百分数表示。
角差是二次电流反相后与一次电流的相位差，通常用分(′)表示,超前于一次电流相位差为正值,反之为负值。

4、误差影响

铁芯材料：误差与铁芯磁导率成反比，采用高磁导率的磁性材料，是提高互感器精度的重要途径。纳米晶合金的磁导率与玻莫合金接近、比硅钢高一个数量级，因此适合于制作高精度互感器铁芯。纳米晶合金的密度和叠片系数低于玻莫合金，在二者的铁芯尺寸相同、性能相近的条件下，纳米晶铁芯的重量轻1/4 以上，制造成本可以低1/3 左右。此外，纳米晶合金比玻莫合金具有更宽的线性范围。

铁芯尺寸：误差与铁芯的磁路长度成正比，与铁芯有效截面积成反比。
一次电流：电流互感器工作在小电流时，由于硅钢片磁化曲线的非线性影响，其初始的磁通密度较低，导磁率小，引起的误差增大。I1增大，则电流误差和角差均减小，被测电流I1接近其额定电流，误差较小。选择电流互感器容量时，不能选得过大，以避免在小电流下运行。
二次绕组匝数：误差与二次绕组匝数的平方成反比，增加二次绕组匝数，可以减小互感器误差。
二次负载：误差与二次负载成正比，二次负载减小，电流误差及角差均减小。
二次负荷功率因数：随着二次负荷功率因数的增大，比差减小而角差增大；
系统频率：误差与系统频率成反比。

5、误差补偿

没有经过补偿的电流互感器，比差均为负值，角差均为正值。一般情况下补偿的数值较小，可以认为对铁芯的磁场基本不影响。补偿方法有匝数补偿、辅助铁芯补偿、电容补偿等。
（1）匝数补偿
匝数补偿方法最简单，只要二次绕组比额定匝数少绕几匝Nx即可。补偿前的比差为负值，少绕几匝二次绕组电流增加起到补偿作用。补偿量Δf=Nx/（N2-Nx）×100%。匝数补偿只对比差起到补偿作用，补偿量与二次负荷和电流大小无关。


2）辅助铁芯补偿
辅助铁芯补偿对比差、角差都起到补偿作用，但辅助铁芯补偿的方法制作工艺比较复杂。
（3）二次绕组并联附加阻抗元件
直接在电流互感器二次绕组两端并联电容就可以对比差起正补偿作用，补偿大小与二次负荷Z=R+iX中X分量成正比，与补偿电容大小成正比；对角差起到负补偿，补偿大小与二次负荷Z=R+iX中R分量成正比，与补偿电容大小成正比。电容补偿是一种比较理想的补偿方法。

八、电压互感器

1、原理

（1）等效电路图
将电压互感器二次绕组阻抗折算到一次侧后， 可以得到T 形等值电路图和相量图：



忽略励磁电流和负载电流在一、二次绕组中产生的压降，得到：

这是理想电压互感器的电压变比，称为额定变比，即理想的电压互感器一次绕组电压U1与二次绕组电压U2的比值是个常数，等于一次绕组和二次绕组的匝数比。

2、参数

（1）额定一次电压标准值
额定一次电压的标准值为：V、V、100V、110V、115V、120V、200V、220V、230V、277V、380V、400V、480V。
（2）额定二次电压标准值
额定二次电压标准值为：0.1V、0.2V、0.25 V、0.5V、1 V、2 V。
（3）绝缘要求
一次电压端子和二次电压端子之间的绝缘电压。
一次电压端子和二次电压端子之间的冲击电压。
一次电压端子和二次电压端子之间的绝缘电阻。
（4）短路承受能力要求
在一次电压端子施加额定电压、二次电压端子外部短路时，微型电压互感器应能承受1s的短路而无机械效应和热效应损伤。
（5）温升要求
在环境温度为40℃、额定频率及1.2倍额定一次电压下，各器件的温升不造成损伤。
（6）标准准确度等级
标准准确度等级为: 0.05、0.1、0.2、0.5。
（7）电压误差和相位误差限值
额定频率下，在额定电压Vn的80%～120%之间的任一电压和在额定负载下（对V-I-V型微型电压互感器）或在100%～400%额定负载电阻下（对电磁式微型电压互感器、电阻分压器和变压器结合型微型电压互感器），微型电压互感器的电压误差（比差）和相位误差（角差）限值。

3、误差特性

实际上，电压互感器存在着铁损和铜损，绕组中会产生阻抗压降。
比值误差简称比差，比差fU等于折算到一次回路的二次电压与实际一次电压的差值：

相角误差简称角差δU，是指一次电压与旋转1800后二次电压之间的相位差，通常用分(′)表示。

4、误差影响

电压互感器铁芯材料的磁导率和铁芯结构影响励磁电流的大小,铁芯结构还影响线圈的匝数及长度。
电压互感器的比差和角差受励磁电流，一、二次绕组阻抗以及二次负载的大小和功率因数的影响。

提高电压互感器的测量精度，减少误差的方法：选择合适的材料；更重要的是减小绕组的电阻；采用附加绕组补偿法。