各類高頻電感電氣參數及其電路應用的論述和探討

龔志良，黃家毅，舒愷，唐建偉

東莞銘普光磁股份有限公司，廣東東莞，523000

0 引言

隨著微電子技術，通信技術的快速發展，特別是近十年在5G通訊、人工智能、大數據、虛擬現實、智能駕駛等高新技術的飛速發展和加持下，急速促進了電子信息產業的升級變革，對高性能、大功率、小體積電子設備的需求激增。電感器主要作為儲能或EMI濾波器件被廣泛應用在各種電子/電氣設備中，市場對高性能大功率電感器的需求也在不斷提升。由于電感器種類多，應用場景多，不同場景對其電氣參數應用要求不同，大部分文獻側重于磁性元件設計[1-10]，缺少對其參數在工程中的應用和一些設計原則解讀。故本文對不同種類電感器及其電氣參數進行介紹，并對其在不同電路中的應用進行探討，以便給同行或電路設計人員給出電感參數選用和全面應用說明。

1 電感類型及其電路應用

1.1 電感器類型

電感器作為大三被動元器件之一，是一種通過電磁相互轉換的儲能元件，其最常見的為金屬導體繞制而成圓柱螺旋彈簧形狀，可在線圈中插入磁鐵來提升電感值。大部分電感器只有一個繞組，共模電感繞組數量則是2個或以上。

電感器按用途可以分為兩種，一種是消除干擾的信號（濾波），屬于EMC元件；另外一種是儲能器件，通過電磁轉換實現能量傳遞以及電路電壓轉換。按照電子設備種類可分為電源線功率電感、信號/RF濾波器電感、EMC對策電感等三種電感，電感類型和分類圖如圖1所示。

圖1 繞線電感類型和分類

1.2 電感的應用

1.2.1 電源線路電感的應用

圖2為一種典型帶有功率因數（PFC）電路交流轉直流的電源拓撲圖，從輸入到輸出過程中，電路圖可分為五大部分，依次為輸入濾波電路、橋式整流、PFC電路、電壓轉換器（變壓器）、輸出電路，并在各部分展示對應電感種類和對應L1～L5實物圖：防雷電感L1、共模L2、差模電感L3組成EMC濾波器，環形繞線電感L4作為PFC升壓電感，最后是降壓的功率電感L5。

圖2 一種典型帶PFC的AC-DC電源拓撲

功率電感常用在DC-DC電路拓撲，包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、升降壓（Boost/Buck）、單端初級電感轉換器（SEPIC）等。圖3(a)為典型單相直流降壓電路拓撲圖，從圖中可以元器件包括控制部分的一個PWM控制芯片、兩個場效應管，以及輸出部分的一個電感、一個電容。現在的GPU和CPU所需要的功率都是百瓦級，單相無法提供足夠功率，則需多相VRM進行供電。多相供電是由n（n>3）個單相電路并聯而成，因此多相可以提供單相的n倍電流。從圖3(b)多相電壓調整器電路拓撲圖以及開關工作原理可知，通過主控芯順序來控制每相中開關管工作，能夠使之疊加后輸出的電流紋波更小、更平穩[11]。這種多相VRM電路中一般選擇如圖1中所示的200～600nH低電感，額定電流30A以上的功率磁珠或模壓電感。

圖3 降壓電路拓撲圖

1.2.2 共模電感的應用

共模電感（Common Mode Choke縮寫為CMC）能夠對電子線路中共模噪聲進行抑制，以便達到對應的EMC標準。按照其工作線路不同分為交流線路共模電感（AC Line CMC）、直流線路共模電感（DC Line CMC）、高頻信號類共模電感（Signal Line CMC）這三種，它們工作原理都相同，工作原理圖如圖4所示。共模電感作用能使大部分的差模信號（需要傳送的信號）通過而消除共模信號（不需要的高頻噪聲）的一種線圈。對于共模電感，單個器件的作用是通差模、抑制共模，這適用于上述三種類型；唯一不同的是直流線路，其共模要求能夠通過直流電，結構上需要增加氣隙來提升直流偏置能力，因此多采用工字型加屏蔽組合結構，而交流共模電感的磁芯則常用高導環形。

圖4 共模電感工作原理圖及其作用示意圖

對于涉及高速數據接口設備如USB、HDMI/DP、PCI-E等，首要考慮因數不能削弱差分信號。必須考慮通信標準，相關通信協議和對應速率，決定了通訊差分信號的所必需的帶寬。例如：USB3.0技術采用5Gbps的傳輸速率，擴頻時鐘的調制頻率為2.5Ghz，數據頻譜非常廣，范圍涵蓋0～5GHz[12]；HDMI時鐘頻率165～340MHz；PCI-E 3.0速率高達到8GT/s。這種高頻信號類應用的共模扼流圈電感值一般在1～10uH之間，其磁芯選用磁導率100～400H/m鎳鋅鐵氧體。

僅憑共模扼流圈，其濾波效果大概率不能滿足EMC的需求，為了提升濾波效果，需要和電容器組合成濾波電路，如圖5所示，L1、C1、C2構成共模濾波器去消除共模信號，而后面的L2、C3構成差分低通濾波器，主要需要抑制無用的高頻的差模信號。共模電感本身漏感相當于差模電感，如果能夠提高其漏感，則可以不需要電感L2，把差模電感集成到共模電感中，比如通過在環形繞線共模電感磁環中間插入軟磁片建立輔助磁路的提升漏感設計，這種類型電感稱為共差模一體電感。

圖5 L1、C1、C2構成共模濾波器，L2、C3構成差模濾波器

1.2.3 退耦電感的應用

浪涌一般指的是電路或電網中極短時內出現“波浪”般的并遠遠超出正常值的瞬間過電壓，是一種劇烈脈沖波。退耦電感的作用主要是保持電壓穩定。如圖6中給芯片供電的直流電壓值，如發生突入大電流，圖中退耦電感，對于浪涌造成的突變的電流，線圈會在阻礙電流變化的方向上產生電動勢，把電能轉換成磁能，線圈緩慢釋放磁能從而達到抑制電壓變化。雷電也會造成線路中產生浪涌，一些大功率或者戶外AC-DC電源會在接入端中輸入EMI電路中增加防雷電路，如圖2所示，防雷電路大部分有兩個壓敏電阻和中間一個線圈[13]，這里防雷電感也屬于退耦線圈一種。主要針對雷擊產生浪涌，長期工程實踐驗證：防雷電路選擇4.5～10μH空心線圈效果最好。主要空心線圈不會出現鐵氧體線圈飽和問題，適用于大功率一次電源。在某些小功率的二次電源中也有選擇10～22μH工字型或R棒電感作為防雷電感。

圖6 退耦電感作用示意圖

1.2.4 RF（射頻）電感的應用

射頻電感主要作用高頻濾波和實現阻抗匹配實現信號傳送。無線電通信模塊中的RF電感主要用途是阻抗匹配，只有阻抗匹配時才能實現最大功率傳送，如果阻抗不匹配，大部分信號將會被反射，增大傳送損耗。常見RF電感應用包括高頻濾波器有電路數字機頂盒和有線調制解調器中MOCA濾波器以及在射頻電路實現阻抗匹配中SWA濾波器、低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）等電路模塊，其典型電路拓撲分別對應圖7(a)(b)(c)(d)。

圖7 RF電感應用典型電路拓撲圖

2 電感電氣參數及其測量方法

2.1 電感值L

電感值是一個物理量，當變化的電流通過線圈時，感應磁場產生感生的電動勢，電動勢的大小與電流變化率成正比，比例因數稱為電感值，用符號L表示，單位為亨利（H）[14-15]。電感值測量可通過LCR或者阻抗分析儀進行測試，測量頻率基準為100kHz。原因：大多數電感值的范圍在0.10～680μH內，并且在10～1000kHz頻率范圍內電感值幾乎不會發生變化，早期電源控制芯片的開關頻率為50～130kHz，因此測試頻率100kHz很接近實際開關頻率，適合作為標準基準頻率。高頻化需要將開關頻率增加到300～500kHz，甚至小功率應用可達到1MHz或以上，故一些數據表中的測試頻率可以調整到1MHz。

2.2 直流電阻Rdc或DCR

直流電阻是對電感繞組通直流電所表現出來的電阻，其大小是由導體電阻率、橫截面積和長度決定的，在電感器廠商目錄中通常規定最大值或者標稱值加上公差。從應用角度來說，直流電阻越小越好，直流損耗小，發熱程度就低，通流能力大。

2.3 額定電流Rated Current

飽和電流（Isat）指在電感器中流過引起電感量下降到特定量（或下降變化百分比）的直流偏置電流，其對下降變化百分比的常見定義有10%、20%、30%、35%。

溫升電流（Irms）指在25℃常溫環境下允許產品表面上升特定值（一般40℃）對應的直流電。對于功率電感來說，額定電流（Rated Current）指的是飽和電流和溫升電流兩者中較小對應的數值。對于沒有飽和電流的情況，例如共模電感，額定電流就是對應的溫升電流。

功率電感飽和電流測量使用LCR和偏置電流源測量飽和電流曲線，如圖8所示，電感下降變化百分比(L-LIDC)/L=△L/L中10%、20%、30%或35%時相對應的直流電為飽和電流的典型值（Type），考慮材料特性和尺寸偏差以及量產可控性，對于定義10%變化量的飽和電流，則是4%～6%的控制余量，也就是94%～96%電感值的對應電流為飽和電流最大值（Max）。工字型+磁罩組裝式對應30%或35%，考慮到組裝式磁芯氣隙的影響，則預留10%～17%的控制余量，也就是83%～90%電感值對應的電流為飽和電流。

圖8 飽和電流曲線圖

溫升電流制造商通常在無風密閉25℃環境中，持續加載直流電30min或以上，使用熱電偶測量產品表面的溫度，實測溫升40℃時對應直流定義為溫升電流的典型值，考慮接觸熱電偶測量誤差以及忽略實際工作的交流損耗，預留10～20℃的余量，規定溫升20～30℃的對應電流為溫升40℃時電流的最大值（Max）。

2.4 品質因數Q值

品質因數是表示儲能器件在其周期內所存儲能量與損耗能量之比的一種無量綱參數。對于電感器來說，Q值表示小信號下的能量存儲能力，其定義為感抗（XL）與有效電阻（Re）之比，即Q=XL/Re=2πLf/Re。

2.5 阻抗

電感器的阻抗是指其在交流電流下電感所有阻抗的總和，阻抗值越大則對對應頻率信號的阻礙和消耗作用越大。

2.6 插入損耗Insertion Loss

插入損耗指的是因元器件或分支電路插入而發生的能量或功率損耗，通常稱為衰減，其表達式為S21=-10lg(Po/Pin)，其中Po為輸出功率，Pin為發射端的輸入功率。插入損耗在部分廠商的共模電感數據表中提供，能夠比阻抗更加直觀地描述出對信號的抑制程度。

2.7 自諧振頻率SRF

自諧振頻率（Self-Resonant Frequency），英文縮寫SRF，是指電感器線圈中存在的分布電容與自身電感形成諧振時的頻率。對于電感器來說，低于SRF為感性元件，高于SRF則為容性元件。當電感處于自諧振頻率時，符合下面的所有條件：阻抗達到最大值，插入損耗S21為絕對值最大，相角為零，Q為零，電感值為零。行業內最常用的SRF測試方法：使用阻抗分析儀測量阻抗曲線，其阻抗最大值對應的頻率就是SRF。多樣品實測平均值定義為典型值，數據表中考慮測量的系統誤差和產品線圈一致性，規格書中則定義比實測平均值低15%～20%為最小值。

2.8 額定電壓

對于電氣設備來說，額定電壓是指其長期工作中正常的最佳電壓，也稱為標稱電壓。對于電感器來說，額定電壓指的是長時間施加在其兩端能正常工作的最大電壓值。

為何電感器制造商公布上的絕大部分電感數據表或目錄中都沒有規定額定電壓？為了保證電感器正常工作，自感應或施加在電極兩側電壓必須保證電感磁體不會出現飽和同時滿足其線圈內部不會發生拉弧或絕緣擊穿。高于額定電壓時，會造成繞組之間或者繞組對磁芯之間電氣擊穿而短路。漆包線和磁芯是電感器必備材料，其絕緣性在設計中必須要考慮。漆包線的抗電強度一般在500～2000Vac，如果直接和磁芯接觸，還要考慮其電阻率（見表1），NiZn電阻率106～107Ω·m，可以當做“絕緣材料”，如果作為DC-DC電路中不需要考慮工作電壓問題。如果使用金屬軟磁（FeSiCr復合材料或羰基鐵粉類）和MnZn鐵氧體時，電感器設計者則要特別注意，一體成型（模壓電感）使用的金屬軟磁FeSiCr復合材料，材料電阻率在103～104Ω·m級別，其磁體本體和線圈之間抗電強度在一般在60～170V，工作時其兩端的施加電壓最好不要超過70V。功率磁珠MHB系列由MnZn鐵氧體UI或者EI類型磁體和銅片導體裝配，一般在電壓小于20V時不會出現擊穿短路，電感值小于800nH、額定電流大于15A的電感器正常工作范圍一般在0.5～3.3V，更加不可能有電壓擊穿問題。大部分商用電感器的應用場景都是在直流轉換器中，其輸出電壓包括48、36、24、12、5、3.3、1.xV等多種規格。從電路上分析，電感器兩端電壓一定比電路輸出電壓要小得多，那么電感器工作電壓大概率在1～48V。多數電源線功率電感不是通過高壓感應而已是通過抑制電流而來工作的，只需要飽和電流Isat和電感值L滿足要求則可以正常工作。在這種情況下就不需要考慮工作電壓問題，故這一類功率電感器的目錄上不會規定額定電壓。

表1 常見軟磁材料電阻率

對于高電線路或繞組的高壓感應工作應用，例如電源線共模、差模電感、PFC升壓電感，必須考慮繞組之間或者磁芯對繞組間可能會發生的擊穿。高耐壓電感器在設計過程要考慮材料絕緣性、安規距離等，為了驗證符合使用的高壓場合，要增加滿足磁芯和繞組絕緣電阻100MΩ@500Vdc、繞組之間抗電強度500Vac或1500Vac的額外抗電強度測試。

3 電路模型及其高頻特性

對于高頻電感，其等效電路為串聯，簡化的電路模型如圖9所示。

圖9電感等效電路（串聯）

紅色部分LS阻抗計算ZLs如下：

式中CP和L0分別為電感元件的線圈的分布電容和真實的電感，ω為角頻率。

串聯等效阻抗計算如下：

那么由式2可以得到式3：

串聯等效電感線圈看作由電感LS和電阻抗RS的串聯。

CP為線圈的分布電容在內的電路參數，此刻LS包括了CP，所以Lm為電感的測量值。

電感VS的頻率特性曲線如圖10所示，根據式3可知，電感值在高頻下會快速升高主要是高頻下電容帶來的影響，測量顯示“虛增”電感。這部分虛增電感不具備儲能作用，作為功率電感，這類儲能電感要注意其實際的電感值L0，真實有效的儲能電感值L0對應的頻率一般小于SRF的1/3。如果線圈中帶有磁體，則RS包括磁損和交流銅損，對于EMC濾波器件的設計則要考慮器件磁材損耗特性；當頻率高于SRF時，降低線圈分布電容，可以提升其阻抗值。因此，深刻理解電感電路的等效模型對相關測量和設計應用都有重要作用。

圖10 電感的頻率特性

4 電感參數選擇與應用

電感器的選擇涉及以下這些關鍵參數：電感，阻抗，飽和電流，溫升電流，SRF，Q值。對應不同場合應用場景，則需要參數要求也有不同。

如果把電感當做一個簡單的高頻扼流圈、差?；蚬材ｋ姼?，要根據其抑制噪聲所在頻率來選擇，選擇阻抗值較大的頻段，也就是自諧頻率（SRF）對應的阻抗峰值。對于高階濾波器，電感值則根據濾波器帶寬和截止頻率來計算。對于功率電感，其電感選擇主要根據各自的拓撲類型以及工作模式來計算得到，電感可選范圍比較大。電感值小，紋波大；電感值大，紋波小，但動態響應變慢。因此，需要結合紋波率要求來選擇電感值和飽和電流。

從功率電感設計和電路應用角度確定飽和電流與溫升電流之間最優的比值關系：確保溫升電流在盡可能大的前提下，在降壓電路中，對于連續模式（CCM），最好要滿足飽和電流Isat數值是溫升電流Irms的1.3倍或以上；而在非連續模式（DCM）中，則需要滿足2倍或以上。為了確保電路安全，需要考慮應用的余量，選擇的電流規格要比電路需求值大，推薦選擇數表中規定飽和電流是實際需求值1/0.8～1/0.6（1.25～1.66）倍的電感器，換言之如果需求為6～8A，則選用飽和電流規格10A或以上的電感器；而溫升電流，考慮到交流損耗，則推薦1/0.9～1/0.5（1.11～2.0）倍。

對于功率電感來說，應用的開關頻率都小于500kHz，也小于磁芯截止頻率，同時更是遠遠小于SRF，所以不需要考慮SRF，因而在一些制造商的功率電感數據表中沒有出現SRF規格。RF電路中的電感工作頻率一般選擇小于SRF的1/2。

電感器的小信號（高頻、小電壓的交流）和大信號（大直流偏置場）的損耗機理和計算差異比較大，小信號下Q值高，不代表在大信號下損耗小，它們之間沒有直接的強關聯，Q值對于直流模塊中的功率電感來說幾乎沒有作用，故功率電感目錄中Q值不做定義，對于高頻電路RF電感則需要考慮；比如LC振蕩電路，高Q值產生窄帶寬和插入損耗，使功率損耗最小化。

5 結語

本文介紹了各種電感應用拓撲和電感電氣參數定義，解讀了相關測量方法，并給出各種場景中推薦的應用案例和如何選擇電感參數，旨在為電感設計人員和電路應用人員提供設計和應用方面的參考。