差分线共模电感选型，电感的基本原理及选型方法

很多朋友对差分线共模电感选型，电感的基本原理及选型方法不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

器件选型是硬件工程师的基础工作。本文主要根据电感器的工艺和应用来介绍如何选择电感器。

01 电感的基本原理

电感器与电容器和电阻器一起是电子学中的三种基本无源元件；它们的功能是以磁场能的形式存储电能。我们以圆柱形线圈为例，简单介绍一下电感的基本原理。

如上图所示，当线圈中流过恒定电流时，将根据右手螺旋定则形成图中所示方向的静磁场。当交流电流流过电感器时，产生的磁场是交变磁场。变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流：

当电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原来磁场的方向相同。根据左手螺旋法则，感应电流与原电流方向相反，电感电流减小；

当电流变小时，磁场变弱，磁场变化的方向与原来磁场的方向相反。根据左手螺旋法则，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

以上就是楞次定律。最终的效果是电感器会阻碍流过的电流的变化，即电感器对交流电呈现高阻抗。对于同一电感，电流变化率越高，感应电流越大，电感呈现的阻抗越高；如果相同的电流变化率，不同的电感器产生较大的感应电流，则该电感器呈现的阻抗就越高。因此，电感的阻抗与两个因素有关：一是频率；二是频率。另一个是电感器的固有属性，即电感器的值，也称为电感量。根据理论推导，圆柱形线圈的电感公式如下：

可见，电感器的大小与线圈的大小和内芯的材料有关。实际电感器的特性不仅是电感量的函数，还受到其他因素的影响，例如：

绕在线圈上的导线不是理想导体，具有一定的电阻；

电感器磁芯有一定的热损失；

电感器内部的导体之间存在分布电容。

因此，需要一个更复杂的模型来表示实际的电感。常用的等效模型如下：

等效模型形式可能不同，但必须能够反映损耗和分布电容。根据等效模型，可以定义实际电感器的两个重要参数： 自谐振频率（Self-ResonanceFrequency） 由于Cp的存在，与L一起形成谐振电路，其谐振频率为电感器的自谐振频率。在自谐振频率之前，电感的阻抗随着频率的增加而变大；自谐振频率后，电感的阻抗随着频率的增加而变小，呈现电容性。品质因数

即电感的Q值，存储的功率与电感的功率损耗的比值。 Q值越高，电感的损耗越低，这是与电感的直流阻抗直接相关的参数。自谐振频率和Q值是高频电感的关键参数。 02 电感器的工艺结构电感器的工艺大致可以分为三种：

2.1 绕线型

顾名思义，铜线缠绕在磁芯上形成线圈。绕线方式有两种： 圆筒绕法（Round Wound） 圆筒绕法非常常见且应用广泛，例如：

图片来自彩虹圈Bing，应该是中国优秀的平绕法（Flat Wound） 平绕法也很常见。你一定见过一折就断的蚊香。

蚊香采用平面缠绕方式的优点是显而易见的，那就是降低了装置的高度。由上式可知，磁芯的导磁率越大，电感值越大，磁芯可

非磁性材料：如空芯、陶瓷芯，似乎不能称为磁芯；这种情况下，电感值较小，但基本不存在饱和电流。

铁磁材料：如铁氧体、波玛合金等；该合金的导磁率比铁氧体大；铁磁材料存在磁饱和现象和饱和电流。

绕线电感可提供大电流和高电感值；磁芯的导磁率越大，相同的电感值，绕线越少，绕线越少可以降低直流电阻；相同尺寸，绕线越少可以越粗，增大电流。另外，在电源设计中，我们经常会遇到电感啸叫的问题。本质是磁场的变化引起导体，即线圈振动。振动的频率正好在音频范围内，可以被人耳听到。合金一体成型电感，比较坚固，可以减少振动。

2.2 叠层片式电感（叠层型）

多层片式电感的制造工艺：将铁氧体或陶瓷浆料干燥成型，交替印刷导电浆料，最后堆叠烧结形成一体化结构（Monolithic）。

引自电磁学的奇迹，多层片式电感比绕线电感尺寸更小，封装标准化，适合自动化高密度贴装；一体化结构可靠性高、耐热性好。

2.3 薄膜型

薄膜电感器采用与IC 生产类似的工艺。在基板上镀上一层导体薄膜，然后采用光刻工艺形成线圈。最后，加上介电层、绝缘层及电极层，而形成封装体。薄膜器件的制造流程如下图所示

光刻工艺的精度非常高，产生的线条更窄，边缘更清晰。因此，薄膜电感器具有

尺寸较小，008004封装

较小值步长，0.1nH

更小的公差，0.05nH

更好的频率稳定性

03 电感器的应用与选型从工艺技术来看，电感器的领先者基本是日本三大厂商：TDK、村田、太阳诱电。这三个公司的产品线都很齐全，基本可以满足大部分需求。三个公司都有相应的选型软件，包括电感、电容等全系列产品，以及相关参数曲线。

西雅特2013 - TDK

模拟冲浪- 村田

太阳诱电元件选择指南数据库

个人感觉TDK和村田稍微领先一些。从他们官网的质量来看，Coilcraft的官网质量稍差一些。毕竟网站也是需要投资的。在电路设计中，电感器主要有以下三种应用：

功率电感：主要用于电压转换，常用的DCDC电路均采用功率电感；

去耦电感：主要用于滤除电源线或信号线上的噪声，EMC工程师应该熟悉；

高频电感：主要应用于射频电路中，实现偏置、匹配、滤波等电路。

3.1 功率电感

功率电感器通常用于DCDC 电路中，通过积累和释放能量来维持连续电流。大多数功率电感都是绕线电感，可以增大大电流和高电感；

图片来自村田片式电感产品目录多层片式功率电感也越来越多。通常电感值和电流都很低。优点是成本较低、尺寸超小。它们通常用于空间受限的产品，例如手机。应用。

图片来自村田片式电感目录。功率电感需要根据所选用的DCDC芯片来选择。通常，DCDC芯片规格书中都有推荐的电感值以及相关参数的计算，这里不再赘述。我们从电感器本身的角度来解释一下如何选择电感器。

上图截图至TY-COMPAS。电感值通常应使用DCDC芯片规格书中推荐的电感值；电感值越大，纹波越小，但尺寸也会变大；通常提高开关频率，可以使用小电感，但开关频率提高会增加系统损耗，降低效率；额定电流功率电感一般有两个额定电流，即温升电流和饱和电流；当电流通过电感时，由于损耗的存在，电感发热，产生温升。温升越大，温升越大；在额定温度范围内，最大允许电流为温升电流。提高磁芯的导磁率可以提高电感值。通常采用铁磁材料作为磁芯。铁磁材料存在磁饱和现象，即当磁场强度超过一定值时，磁感应强度不再增加，即磁导率下降，即电感下降。在额定电感值范围内，最大允许电流为饱和电流。

磁滞回线：磁性材料------铁氧体磁铁、比重计、多孔材料密度计、液体密度计、固体颗粒体积测试仪、磁性材料密度计。通常对于DCDC电路设计，需要计算峰值（PEAK）电流和均方根（RMS）电流，计算公式通常在规格书中给出。温升电流是对电感器热效应的评价。根据焦耳定律，热效应需要考虑电流在一段时间内随时间的积分；选择电感时，设计有效电流不能超过电感温升电流。为了保证电感值稳定在设计范围内，设计峰值电流不能超过电感的饱和电流。为了提高可靠性，需要进行降额设计。通常建议运行值降额至不超过额定值的80%。当然，过度降额会显着增加成本，需要综合考虑。直流电阻电感的直流电阻会产生热损耗，导致温升，降低DCDC效率；因此，当对效率敏感时，应选择直流电阻较低的电感，如15毫欧。还有产品的应用温度要求，是否需要满足RoHS、汽车级Q200等标准的要求，以及PCB结构限制。在大电流应用中，电感的漏磁会相当大，这会影响周围的电路，例如CPU。我遇到过X86 CORE电路的电感漏磁导致CPU无法启动的现象。因此，对于大电流应用，应选择屏蔽性能好的电感，并在布局时注意避开关键信号。 3.2 去耦电感去耦电感又称为Choke，课本上通常译为choke。去耦电感的作用是滤除线路上的干扰。它是一种EMC 设备。 EMC工程师主要用它来解决产品的辐射发射（RE）和传导发射（CE）的测试问题。去耦电感器通常具有简单的结构。大多数是直接缠绕在铁氧体环上的铜线。我个人认为可以分为差模电感和共模电感。这里不再讨论共模和差模的概念。差模电感差模电感是普通的绕线电感，用来滤除一些差模干扰，主要是和电容一起组成LC滤波器，降低电源噪声。

对于220V市电，差模干扰是L相和N相之间的干扰；对于POE来说，是POE+和POE-之间的干扰；对于主板上的低压直流电源来说，其实就是电源噪声。选择差模电感时有几点需要注意：

直流电阻、额定电压、电流必须满足工作要求；

结构尺寸满足产品要求；

通过测试确定噪声频段，根据其阻抗曲线选择电感；

要设计LC 滤波器，可以进行简单的计算和模拟。

磁珠（Ferrite Bead）也常用于过滤主板上低压直流电源的噪声，但铁氧体磁珠和去耦电感是有区别的。

磁珠由铁氧体材料制成。高频时，铁氧体的磁损耗（等效电阻）变得很大，高频噪声转化为热能而消散；

去耦电感由线圈和磁芯组成，线圈电感主要起作用；

磁珠只能滤除较高频率的噪声，对低频没有作用；

去耦电感可以绕至更高的电感值以滤除低频噪声。

磁珠等效电路模型

共模电感器共模电感器是在同一个铁氧体环上绕制的两个匝数相同、绕制方向相反的线圈。

共模电感如上图：

当共模分量流过共模电感时，根据右手定则，两个线圈中会形成方向相同的磁场，磁场相互加强，相当于产生一个高感抗共模信号；

当差模分量流过共模电感时，根据右手定则，两个线圈中会形成方向相反的磁场，相互抵消，相当于对差模产生了低感抗信号。

另一种理解是：当某个频率的共模干扰流过V+时，形成的交变磁场会在另一个线圈上形成感应电流。根据左手定则，感应电流的方向与V-上共模干扰的方向一致。反方向则抵消一部分，减少共模干扰。共模电感主要应用于两线制或差分系统，如220V市电、CAN总线、USB信号、HDMI信号等。用于滤除共模干扰，同时减少有用的差分信号衰减。选择共模电感时需要注意以下几点：

直流阻抗应较低，且不应对电压或有用信号产生重大影响；

如果用于电源线，必须考虑额定电压和电流以满足工作要求；

通过测试确定共模干扰的频段。该频段的共模阻抗应较高；

差模阻抗要小，不应对差分信号的质量产生较大影响；

考虑封装尺寸和设计的兼容性。例如，对于用于USB信号的共模电感，所选封装可以与两个0402电阻兼容。当不需要共模电感时，可以直接焊接0402电阻，以降低成本。

下图显示了共模电感的共模阻抗和差模阻抗。

如果共模干扰频率在10MHz左右，滤波效果很好，但如果是100kHz，可能就没有什么效果了。如果差分信号速率较高，超过100M，信号质量可能会受到影响。

3.3 高频电感

高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路，频率范围从100MHz到6GHz。高频电感在射频电路中主要有以下作用：

匹配：与电容器一起构成匹配网络，消除器件与传输线之间的阻抗失配，减少反射和损耗；

滤波器：与电容一起组成LC滤波器，滤除一些不需要的频率成分，防止干扰设备的运行；

隔离AC（扼流圈）：在PA等有源射频电路中，将射频信号与直流偏置和直流电源隔离；

谐振：与电容一起组成LC振荡电路，作为VCO的振荡源；

Balun：平衡-不平衡转换，与电容一起组成LC巴伦，实现单端射频信号与差分信号之间的转换。

前面介绍的三种结构都可以用来制作高频电感。它们的特点如下： 多层型多层型烧结形成整体结构，或单片。

图片来自村田片式电感器目录多层片式电感器。与其他两种类型相比，它的Q值最低。其最大的优点是成本低，性价比高，适合大多数无特殊要求的应用。 TDK和太阳诱电的高频电感器只是多层型，不是绕线型或薄膜型。 TDK的MLK系列、村田的LQG系列、太阳诱电的HK系列基本上是相同的产品。它们是最便宜的并且具有很高的性价比。当然，随着工艺技术的提高，现在也出现了高Q值系列的多层片式电感，例如TDK的MHQ系列和太阳诱电的HKQ系列。 TDK的多层电感更好更齐全。还有采用0402封装的MLG系列。电感可以是0.3nH，数值步长是0.1nH，容差是0.1nH。已经接近薄膜电感的性能，而且价格还便宜。绕线型现在的技术水平已经越来越高，绕线电感也可以采用0402封装。

图片来自村田片式电感目录绕线工艺。它的导线可以比多层和薄膜结构更粗，因此可以获得极低的直流电阻。这也意味着极高的Q值，可以支持更大的电流。通过用铁氧体磁芯代替非磁性陶瓷磁芯，可以获得更高的电感值，并且可以应用于中频。村田的LQW系列可采用03015封装，最小电感为1.1nH； Coilcraft的0201DS系列可采用0201封装，被誉为世界上最小的绕线电感。薄膜型采用光刻工艺，工艺精度极高，所以电感值可以很小，尺寸也可以很小，精度高，电感值稳定，Q值高。

图片来自村田片式电感目录村田的LQP系列，可采用01005封装。高精度产品公差可做到0.05nH，最小电感值可做到0.1nH。这三个参数值可以说是电流电感的极限。其他产品，例如Abracon 的ATFC-0201HQ 系列，也可以实现最低0.1nH。村田制作所的高频电感器有3种工艺。为了进行比较，他们选择了具有相同电感值（1.5nH）、相同封装和相同容差的电感器。

可以看出，绕线型的Q值明显高于其他两种类型，而薄膜型电感值的频率稳定性高于其他两种类型。当然，多层式的成本明显低于其他两种。选择高频电感时，除了确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外，还必须注意自谐振频率、Q值、电感值容差、电感值频率稳定性。电感值通常需要根据仿真、实际调试或参考设计来确定。大多数情况下，多层片式高频电感就可以满足要求。一些特殊场合可能需要注意：

电感值大，自谐振频率低。需要注意的是，工作频率应远低于自谐振频率。

对于大功率射频设备，PA偏置电流比较大，需要选择绕线类型以满足电流要求；同时，大功率设备温升较高，需要考虑工作温度；

对于一些宽带器件，要求电感值在带宽内稳定，则应选择薄膜电感；

对于高精度VCO电路，作为LC谐振源，只需薄膜电感即可将容差提高0.05nH；

对于手机和可穿戴设备来说，尺寸可能是最关键的因素，而薄膜电感器可能是更好的选择。

有些高频电感是有方向性的，贴片安装的方向对电感值有一定的影响，如下图：

引自电感器上为什么有方向标记？可以看出，当标记点面向侧面时，电感值变化较大，因此贴片时要注意保持电感上的标记点朝上。另外，布局时要注意两个电感不能靠得太近放置，至少相距20mil。原因是磁场会互相影响，从而影响电感值。请参考上面的共模电感图。结论：选择器件时，必须清楚了解器件的原理和应用，综合考虑成本、降额、兼容性等因素。

以上知识分享希望能够帮助到大家！