IoT硬件-电感
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什么是電感？
電感是導線內通過交流電流時，在導線的內部及其周圍產生交變磁通，導線的磁通量與生產此磁通的電流之比。
當電感中通過直流電流時，其周圍只呈現固定的磁力線，不隨時間而變化；可是當在線圈中通過交流電流時，其周圍將呈現出隨時間而變化的磁力線。根據法拉弟電磁感應定律－－磁生電來分析，變化的磁力線在線圈兩端會產生感應電勢，此感應電勢相當于一個“新電源”。當形成閉合回路時，此感應電勢就要產生感應電流。由楞次定律知道感應電流所產生的磁力線總量要力圖阻止原來磁力線的變化的。由于原來磁力線變化來源于外加交變電源的變化，故從客觀效果看，電感線圈有阻止交流電路中電流變化的特性。電感線圈有與力學中的慣性相類似的特性，在電學上取名為“自感應”，通常在拉開閘刀開關或接通閘刀開關的瞬間，會發生火花，這就是自感現象產生很高的感應電勢所造成的。
總之，當電感線圈接到交流電源上時，線圈內部的磁力線將隨電流的交變而時刻在變化著，致使線圈不斷產生電磁感應。這種因線圈本身電流的變化而產生的電動勢 ，稱為“自感電動勢”。
由此可見，電感量只是一個與線圈的圈數、大小形狀和介質有關的一個參量，它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無關。
電感符號：L
電感單位：亨 (H)、毫亨(mH)、微亨 (uH)，納亨(nH) 1H=103mH=106uH=109nH。
電感量的標稱：直標式、色環標式、無標式
電感方向性：無方向
檢查電感好壞方法：用電感測量儀測量其電感量；用萬用表測量其通斷，理想的電感電阻很小，近乎為零。
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電感的分類
電感按照形式、磁體性質、工作性質、繞線結構、工作頻率、結構特點可進行如下分類：
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電感的作用
基本作用：濾波、振蕩、延遲、陷波等
形象說法：“通直流，阻交流”
細化解說：在電子線路中，電感線圈對交流有限流作用，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等；變壓器可以進行交流耦合、變壓、變流和阻抗變等。
由感抗XL=2πfL 知,電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。該電感器兩端電壓的大小與電感L成正比，還與電流變化速度△i/△t成正比
電感線圈也是一個儲能元件，它以磁的形式儲存電能，線圈電感量越大，流過越大，儲存的電能也就越多。
電感在電路最常見的作用就是與電容一起，組成LC濾波電路。我們已經知道，電容具有“阻直流，通交流”的本領，而電感則有“通直流，阻交流”的功能。如果把伴有許多干擾信號的直流電通過LC濾波電路（如圖），那么，交流干擾信號將被電容變成熱能消耗掉；變得比較純凈的直流電流通過電感時，其中的交流干擾信號也被變成磁感和熱能，頻率較高的最容易被電感阻抗，這就可以抑制較高頻率的干擾信號。
????????????????????????????????????????????????圖1 LC濾波電路
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電感的特性參數
4.1、電感量L
電感量L表示線圈本身固有特性，與電流大小無關。除專門的電感線圈（色碼電感）外，電感量一般不專門標注在線圈上，而以特定的名稱標注。
4.2、感抗XL
電感線圈對交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關系為XL=2πfL
4.3、品質因素Q
品質因素Q是表示線圈質量的一個物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R。線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。線圈的Q值與導線的直流電阻，骨架的介質損耗，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗，高頻趨膚效應的影響等因素有關。線圈的Q值通常為幾十到幾百。采用磁芯線圈，多股粗線圈均可提高線圈的Q值。
4.4、分布電容
線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩定性變差，因而線圈的分布電容越小越好。采用分段繞法可減少分布電容。
4.5、允許誤差：電感量實際值與標稱之差除以標稱值所得的百分數。
4.7、標稱電流：指線圈允許通過的電流大小，通常用字母A、B、C、D、E分別表示，標稱電流值為50mA 、150mA 、300mA 、700mA 、1600mA 。
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常見電感介紹
5.1 片狀電感
電感量：10NH～1MH
材料：鐵氧體 繞線型 陶瓷疊層
精度： J=±5% K=±10% M=±20%
尺寸： 0402 0603 0805 1008 1206 1210 1812 1008=2.5mm*2.0mm 1210=3.2mm*2.5mm
個別示意圖：
????????????????貼片繞線電感
????????????????貼片疊層電感
5.2 功率電感
電感量：1NH～20MH
帶屏蔽、不帶屏蔽
尺寸：SMD43、SMD54、SMD73、SMD75、SMD104、SMD105；RH73/RH74/RH104R/RH105R/RH124；CD43/54/73/75/104/105；
個別示意圖：
????????????????貼片功率電感
????????????????屏蔽式功率電感
5.3 片狀磁珠
種類：CBG（普通型） 阻抗：5Ω～3KΩ
CBH（大電流） 阻抗：30Ω～120Ω
CBY（尖峰型） 阻抗：5Ω～2KΩ
個別示意圖：
????????????????貼片磁珠
規格：0402/0603/0805/1206/1210/1806（貼片磁珠）
????????????????貼片大電流磁珠
規格：SMB302520/SMB403025/SMB853025（貼片大電流磁珠）
5.4 插件磁珠
5.5 色環電感
電感量：0.1uH～22MH
尺寸：0204、0307、0410、0512
豆形電感：0.1uH～22MH
尺寸：0405、0606、0607、0909、0910
精度：J=±5% K=±10% M=±20%
精度：J=±5% K=±10% M=±20%
插件的色環電感讀法：同色環電阻的標示
5.6 立式電感
電感量：0.1uH～3MH
規格：PK0455/PK0608/PK0810/PK0912
5.7?軸向濾波電感
規格：LGC0410/LGC0513/LGC0616/LGC1019
電感量：0.1uH-10mH。
額定電流：65mA~10A。
Q值高，價位一般較低，自諧振頻率高。
5.8 磁環電感
規格：TC3026/TC3726/TC4426/TC5026
尺寸（單位mm）：3.25~15.88
5.9 空氣芯電感
空氣芯電感為了取得較大的電感值，往往要用較多的漆包線繞成，而為了減少電感本身的線路電阻對直流電流的影響，要采用線徑較粗的漆包線。但在一些體積較少的產品中，采用很重很大的空氣芯電感不太現實，不但增加成本，而且限制了產品的體積。為了提高電感值而保持較輕的重量，我們可以在空氣芯電感中插入磁心、鐵心，提高電感的自感能力，借此提高電感值。目前，在計算機中，絕大部分是磁心電感。
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電感在開關電路中的作用
電感是閉合回路的一種屬性，即當通過閉合回路的電流改變時，會出現電動勢來抵抗電流的改變。電感的"通直阻交"特性，讓其在電路中能夠發揮巨大的作用。電感多被用在儲能、濾波、延遲和振蕩等幾個方面，常見的有功率電感、貼片電感等等。
電感是開關電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點是流過其上的電流有"很大的慣性". 換句話說，由于磁通連續特性，電感上的電流必須是連續的，否則將會產生很大的電壓尖峰。
電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。有的應用允許電感飽和，有的應用允許電感從一定電流值開始進入飽和，也有的應用不允許電感出現飽和，這要求在具體線路中進行區分。大多數情況下，電感工作在"線性區", 此時電感值為一常數，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開關電源存在一個不可忽視的問題，即電感的繞線將導致兩個分布參數(或寄生參數)，一個是不可避免的繞線電阻，另一個是與繞制工藝、材料有關的分布式雜散電容。雜散電容在低頻時影響不大，但隨頻率的提高而漸顯出來，當頻率高到某個值以上時，電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容" 集中" 為一個電容，則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現的電容特性。
6.1、可飽和電感隨電流變化的關系
因為，有氣隙和無氣隙的dB/di磁路的計算方法不同，所以，分別對兩種情況進行討論。
6.1.1 無氣隙可飽和電感與電流的關系
無氣隙可飽和電感L隨電流變化的關系可用式（2）表示。
L=（W2S/l）f（WI/l） （2）
式中：W為電感繞組匝數；
I為激磁電流；
f為電感用磁性材料B～H曲線的對應函數；
S為磁性材料的截面積；
l磁性材料的為平均長度。
6.2.2 有氣隙可飽和電感與電流的關系
任意給定一個導磁體磁路中磁感應強度B1，可由B=f（H）曲線求出導磁體磁路中的磁場強度H1。氣隙中的H0值可用式（3）表示。
H0=B1/μ0==ab/［μ0（a+I0）（b+l0）］B1（3）
式中：B0為空氣隙磁感應強度；
a和b為磁路矩形截面積邊長；
l0為氣隙長度；
μ0為空氣磁導率。
由磁路定律得I=（H1l+H9l0）/W。改變B值并重復上述步驟，可求出相應的I，得到一組B和I的關系數據。設這個B與I對應的函數為B=f1（I）。
在不考慮漏感時，電感的計算式可用式（4）表示。
L=（Wdφ）/dI=WS（dβ/dI） （4）
式中：φ為磁路磁通量。
則有氣隙可飽和電感與電流的關系為
L=WSf1（I） （5）
6.2 飽和電感在開關電源中的應用
6.2.1 尖峰抑制器
開關電源中尖峰干擾主要來自功率開關管和二次側整流二極管的開通和關斷瞬間。具有容易飽和，儲能能力弱等特點的飽和電感能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯，在電流升高的瞬間，它呈現高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其飽和電感量很小，損耗小。通常將這種飽和電抗器作為尖峰抑制器。
在圖2所示電路中，當S1導通時，D1導通，D2截至，由于可飽和電感Ls的限流作用，D2中流過的反向恢復電流的幅值和變化率都會顯著減小，從而有效地抑制了高頻導通噪聲的產生。當S1關斷時，D1截至，D2導通，由于Ls存在著導通延時時間Δt，這將影響D2的續流作用，并會在D2的負極產生負值尖峰電壓。為此，在電路中增加了輔助二極管D3和電阻R1。
????????????????????????????????????????????????????圖2
6.2.2 磁放大器
磁放大器是利用可控飽和電感導通延時的物理特性，控制開關電源的占空比和輸出功率。該開關特性受輸出電路反饋信號的控制，即利用磁芯的開關功能，通過弱信號來實現電壓脈沖脈寬控制以達到輸出電壓的穩定。在可控飽和電感上加上適當的采樣和控制器件，調節其導通延時的時間，就可以構成最常見的磁放大器穩壓電路。
磁放大器穩壓電路有電壓型控制和電流型控制兩種。圖3所示為電壓型復位電路，它包括電壓檢測及誤差放大電路，復位電路和控制輸出二極管D3，它是單閉環電壓調節系統。
????????????????????????????????????????????????圖3
圖4所示為移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器。全橋開關電路變壓器二次雙半波整流各接一個磁放大器SR，其鐵心繞有工作繞組和控制繞組。在正半周，當某輸出整流管正偏（另一輸出整流管反偏），變壓器副邊輸出的方波脈沖加在相應的工作繞組上，使SR鐵心正向磁化（增磁）；在負半周，該輸出整流管反偏，和控制繞組串聯的二極管D3正偏導通，在直流控制電流Ic的作用下，使該SR的鐵心去磁（復位）。
???????????圖4 移相全橋ZVS-PWM開關電源磁放大器穩壓器
控制電路的工作原理是：開關電源輸出電壓與基準比較后，經誤差放大控制MOS管的柵極，MOS管提供與輸出電壓有關的磁放大器SR的控制電流Ic。
6.3 逆變電源
逆變電源以其控制性能好，效率高，體積小等諸多優點，被廣泛用于自動控制，電力電子及精密儀器等各個方面。它的性能與整個系統的品質息息相關，尤其是電源的動態性能。由于逆變電源自身的特點，其動態特性一直不夠理想。
采用PWM和PFM控制的逆變電源，其工作原理決定了要得到平滑的電流電壓波形，必須在其輸出電路上加續流電感，而該電感正是影響逆變電源動態性能的主要因素。對于恒壓源，電感電流與負載完全成反比關系；對于可控恒流源，要使電感電流由小變大，必然要以小的負載值作為前提，盡管不是完全的對應關系，但可以說電流的變化在某種程度上反映了負載的變化。
因此，采用隨電流增大而減小的電感作為逆變電源的輸出電感，可有效地改變電源輸出電路的時間常數T，使其完全與R成反比（T=L/R），進而在負載變化范圍內維持在一個相對較小的數值上，這樣自然會提高動態性能。
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電感和磁珠的區別
電感跟磁珠應當說是兩兄弟，很多人一直認為它們都是“通直阻交”，很容易混在一起。正所謂：一母生九子，九子各不同。其實電感和磁珠還是有很大區別的。
電感的單位是享，型號也是用電感值來命名的，如：GZ2012-100指2012（0805）封裝10uH的電感；
磁珠的單位是歐，一般磁珠的型號都是用100MHz時的電阻值來命名的，需要注意的是這里是電阻值，而不是等效感抗。比如：JCB201209-301，是指2012（0805）封裝100MHz時阻值為300歐的磁珠。
磁珠本身理論上是耗能元件，電感理論上是不耗能的。這是兩類元件理論上的最大區別。電感的磁材是不封閉的，典型結構是磁棒，磁力線一部分通過磁材（磁棒），還有一部分是在空氣中的；而磁珠的磁材是封閉的，典型結構是磁環，幾乎所有磁力線都在磁環內，不會散發到空氣中去。磁環中的磁場強度不斷變化，會在磁材里感應出電流，選用高磁滯系數和低電阻率的磁材就能把這些高頻能量轉換成熱能，進而消耗掉。而電感則相反，要選低磁滯系數和高電阻率的磁材，以盡可能的使電感在整個頻帶內呈現一致的電感值。所以，結構和磁材的差異決定了磁珠和電感的本質差異。
電感主要應用在開關電源以及諧振、阻抗匹配及特殊濾波等場合，而磁珠主要用于防止輻射，對EMC的改善要遠優于電感。
磁珠把高頻消耗掉了，而且沒有對外的“磁泄漏”，而電感則因為磁材不封閉，會把大量的高頻信號傳到外部空間，引起EMI問題。
磁珠通常推薦應用在電源或信號線上來增強去耦效果，但在地之間的使用時一定要小心，特別是會有大能量干擾信號流過磁珠的應用場合。
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電感使用注意事項
8.1?電感使用的場合
潮濕與干燥、環境溫度的高低、高頻或低頻環境、要讓電感表現的是感性，還是阻抗特性等，都要注意。
8.2?電感的頻率特性
在低頻時，電感一般呈現電感特性，既只起蓄能，濾高頻的特性。
但在高頻時，它的阻抗特性表現的很明顯。有耗能發熱，感性效應降低等現象。不同的電感的高頻特性都不一樣。
下面就鐵氧體材料的電感加以解說：
鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金，這種材料具有很高的導磁率，他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應用，因為在低頻時他們主要程電感特性，使得線上的損耗很小。在高頻情況下，他們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，這是由他的電阻特性決定的。
8.3 電感設計要承受的最大電流，及相應的發熱情況。
8.4 使用磁環時，對照上面的磁環部分，找出對應的L值，對應材料的使用范圍。
8.5?注意導線（漆包線、紗包或裸導線），常用的漆包線。要找出最適合的線經。
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聽說關注公眾號的都是大牛
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總結
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