电感之种类与其特性分析

一.简介 电感器（inductor）是一种电磁感应组件，用绝缘的导线在绕线支架（bobbin）或铁芯（core）上绕制一定匝数的线圈（coil）而成，此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理，当线圈与磁场有相对运动，或是线圈通过交流电流产生交变磁场时，会产生感应电压来抵抗原磁场变化，而此抑制电流变化的特性就称为电感（inductance）。

电感值的公式如式（1），其与磁导率、绕组匝数 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。电感的种类很多，各适用于不同的应用之中；电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。

N2μAeL=

Ie

电感依铁芯形状不同有环型（toroidal）、E 型（E core）及工字鼓型（drum）；依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及两大软磁类，分别是铁氧体（ferrite）及粉末铁芯（metallic powder）等。依结构或封装方式不同有绕线式（wire wound）、多层式（multi-layer）及冲压式（molded），而绕线式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁胶之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。 电感器在直流电流如同短路，对交流电流则呈现高阻抗，在电路中的基本用途有扼流、滤波、调谐、储能等。在开关转换器的应用中，电感器是最重要的储能组件，且与输出电容形成低通滤波器，将输出电压涟波变小，因此也在滤波功能上扮演重要角色。

二.铁芯材料之种类 1. 陶瓷芯

陶瓷芯是常见的电感材料之一，主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构，又被称为「空芯电感」（air core inductor）。因所使用的铁芯为非导磁材料，具有非常低的温度系数，在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质，电感量非常低，并不是很适合电源转换器的应用。 2. 铁氧体

一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌（NiZn）或锰锌（MnZn）之铁氧体化合物，属于矫顽磁力（coercivity） 低的软磁类铁磁材料。图 1 为一般磁铁芯之磁滞曲线（B-H loop），磁性材料的矫顽磁力 HC 亦称为保磁力，系 指当磁性材料已磁化到磁饱和后，使其磁化强度（magnetization）减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表 抵抗退磁能力较低，也意味着磁滞损失较小。

锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率（relative permeability；μr），分别为约 1500～15000 及 100～1000， 其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而，缺点是其可耐受的饱和电流较低，且铁芯一旦饱 和，磁导率会急遽下降，可参考图 4 所示铁氧体与粉末铁芯在铁芯饱和时磁导率下降趋势的比较。当用于功率 电感时，会在主磁路留气隙（air gap），可降低磁导率、避免饱和及储存较多能量；含有气隙时的等效相对磁导 率约可在 20-200 之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流（eddy current）造成的损耗，因此在高频时损 失较低，较适用于高频变压器、EMI 滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在 （＞1 MHz），而锰锌铁氧体适用于较低的频段（＜2 MHz）。

3. 粉末铁芯

粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料，是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成，配方中有颗粒大小不同的非导磁材料，因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型（toroidal）呈现居多，如图 2 所示为粉末铁芯及其截面图。

常见的粉末铁芯有铁镍钼合金（MPP）、铁硅铝合金（Sendust）、铁镍合金（high flux）及铁粉芯（iron powder） 等。因所含成分不同，其特性及价格也有所不同，因而影响电感器的选择。以下将分别介绍前述之铁芯种类并比较其特性： A. 铁镍钼合金（MPP）

铁镍钼合金简称 MPP，是 molypermalloy powder 的缩写，相对磁导率约 14～500，饱和磁通密度约 7500 高 斯（Gauss），比铁氧体的饱和磁通密度（约 4000～5000 高斯）高出许多。MPP 具有最小的铁损，在粉末 铁芯中，温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流 ISAT 时，电感值缓慢降低，不会急剧衰减。MPP 的性能较佳，但成本较高，通常作为电源转换器之功率电感及 EMI 滤波之用。

B.铁硅铝合金 (Sendust)

铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯，相对磁导率约 26～125。铁损介于铁粉芯与 MPP 及铁镍合金之间。饱和磁通密度比 MPP 高，约 10500 高斯。温度稳定性及饱和电流特性比 MPP 及铁镍合金稍微逊色，但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳，相对成本较 MPP 及铁镍合金便宜。多应用于 EMI 滤波、功因修正（PFC）电路及开关电源转换器之功率电感。 C. 铁镍合金（high flux）

铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成，相对磁导率约 14～200，铁损及温度稳定性均介于 MPP 及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高，约 15000 高斯，且可耐受直流偏置电流较高，其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。 D. 铁粉芯（iron powder）

铁粉芯是由颗粒非常小、彼此间绝缘的高纯度铁粉颗粒制成，制作过程使其具有分布式的气隙。常见的铁粉芯之形状除了环型外，尚有 E 型及冲压式。铁粉芯之相对磁导率约 10～75，约 15000 高斯之高饱和磁通密度。在粉末铁芯中，铁粉芯的铁损最高，但成本最低。

表 1 列出了以上四种粉末铁芯之比较。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。

图 3 所示为 TDK 所制之 PC47 锰锌铁氧体与 MICROMETALS 所制之铁粉芯-52 及-2 的 B-H 曲线；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。

综合上述，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。图 4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，由式（1）可知，也造成电感量骤降；而有分布式气隙的粉末铁芯，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。

三．电感器之电气特性及封装结构

在设计开关转换器并挑选电感器时，电感值 L、阻抗 Z、交流电阻 ACR 与 Q 值（quality factor）、额定电流 IDC 与 ISAT、以及铁芯损失（core loss）等等重要的电气特性都必须考虑。此外，电感器的封装结构会影响漏磁大小，进而影响 EMI。以下将分别探讨上述之特性，以作为选择电感器之考虑。 1. 电感值（L）

电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数，但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下，以 100 kHz 或 1 MHz 所量得。且为确保大量自动化生产的可能性，电感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）与±30%（N）居多。图 5 为利用 Wayne Kerr 的 LCR 表量测 Taiyo Yuden 电感 NR4018T220M 之电感－频率特性图，如图所示，在 5 MHz 之前电感值的曲线较为平坦，电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振，电感值会上升，此谐振频率称为自我谐振频率（selfresonant frequency；SRF），通常需远高于工作频率。

2. 阻抗（Z）

如图 6，从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比（Z=2πfL），因此频率愈高，电抗会比交流电阻大很多，所以阻抗表现就如同纯电感（相位为 90˚）。而再往高频，由于寄生电容效应，可以看到阻抗的自我谐振频率点，过了此点阻抗下降呈现电容性，且相位逐渐转为-90 ˚。

3. Q 值与交流电阻（ACR）

Q 值在电感的定义中为电抗与电阻的比值，也就是阻抗中虚数部分与实数部分的比，如式（2）。

Q=RL (2)

L

X

其中 XL 为电感器之电抗，RL 为电感器之交流电阻。

在低频段，交流电阻比电感造成的电抗大，所以其 Q 值很低；随着频率增加，电抗（约为 2πfL）愈来愈大，即 使电阻因集肤效应（skin effect）与邻近（proximity effect）效应愈来愈大，Q 值仍随频率增加；在接近 SRF 时，电感抗逐渐为电容抗抵消，Q 值又逐渐变小；在 SRF 时变为零，因电感抗与电容抗完全相消。图 7 为NR4018T220M 之 Q 值与频率的关系图，其关系呈现倒钟形。

4. 饱和电流（ISAT）

饱和电流 ISAT 一般是标注在电感值衰减如 10%、30%或 40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言，因其饱和电流特性非常急遽，10%与 40%相差不大，可参考图 4。但如果是铁粉芯（如冲压式电感），饱和曲线比较缓和，如图 9，电感衰减 10%或 40%的偏置电流相差很多，因此就饱和电流值，二种铁芯将分开探讨如下。

对于一个气隙铁氧体，以 ISAT 作为电路应用最大的电感电流上限点是合理的。但如果是铁粉芯，因为缓饱和特性，即便应用电路最大电流超过 ISAT 也不会发生问题，因此这种铁芯特性最适合开关转换器的应用。在重载时，虽然电感器之电感值较低，如图 9，造成电流涟波因子较高，但现今的电容电流耐受度高，因此并不会成为问题

在轻载时，电感器之电感值较大，有助于降低电感的涟波电流，进而降低铁损。图 9 比较了 TDK 之绕线式铁氧体 SLF7055T1R5N 及冲压式铁粉芯电感 SPM6530T1R5M，在相同电感标称值下的饱和电流曲线。

5. 额定电流（IDC）

IDC 值为当电感温升为 Tr˚C 时的直流偏置。规格书同时标注其在 20˚C 的直流电阻值 RDC。依铜导线的温度系数约为 3,930 ppm，在 Tr 温升时，其电阻值为 RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗为 PCU = I2DCxRDC。此铜损功耗在电感器表面散逸，可计算出电感的热阻 ΘTH：

θTH=

TrPCU

（oC/W）

表 2 为参考 TDK VLS6045EX 系列（6.0x6.0x4.5mm）的 data sheet，并计算出在温升 40˚C 时之热阻。显然相同系列及尺寸的电感，因表面散热面积一样，其计算所得之热阻也相差无几；换句话说，可以估算不同电感的额定电流 IDC。不同系列（封装）的电感，其热阻也不同。表 3 即比较了 TDK VLS6045EX 系列（semi-shielded） 及 SPM6530 系列（molded）之电感的热阻。热阻愈大，表示此电感流过负载电流时所产生的温升较高；反之则较低。

从表 3 可知，即使电感的尺寸相近，由于冲压式电感的热阻低，即散热较好。

6. 铁芯损失（core loss）

铁芯损失，简称铁损，主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」；若导电率高，即电阻率低，涡流损就高，如铁氧体的电阻率高，其涡流损就相对的低。涡流损也与频率有关，频率愈高，涡流损愈大，因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言，铁粉芯的工作频率可到 1MHz，而铁氧体的工作频率则可到 10MHz。若工作频率超过此频率，则涡流损会快速增加，铁芯温度也会提高。然而，随着铁芯材料日新月异，更高工作频率的铁芯应是指日可待。 另一个铁损是磁滞损，其与磁滞曲线所围之面积成正比，即与电流交流成份的摆动（swing）幅度有关；交流摆幅愈大，磁滞损也愈大。在电感器之等效电路中，常用一个并联于电感的电阻来表示铁损。当频率等于 SRF 时，电感抗和电容抗抵消，等效电抗为零，此时电感器之阻抗即等效于此铁损电阻串联绕线电阻，且铁损电阻已远大于绕线电阻，所以在SRF 时的阻抗就约等于铁损电阻。以一低压电感为例，其铁损电阻约在 20kΩ 左右，若以电感两端的有效值电压 5V 来估算，其铁损约为 1.25mW，这也说明了铁损电阻愈大愈好。 7. 封装结构（shield structure）

铁氧体电感的封装结构有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式、与遮蔽式，而不论哪一种都存在相当的空气隙。显然此空气隙会有漏磁发生，且最坏的情况是会干扰周遭之小信号电路，或者，如果附近有导磁材料，其电感值也因此被改变。另一种封装结构为冲压式铁粉电感，由于电感内部没有间隙，且绕组结构扎实，因此磁场散逸问题较小。

图 10 是利用 RTO 1004 示波器之 FFT 功能量测冲压式电感上方及侧边 3mm 处之漏磁场大小。表 4 列出不同封装结构电感的漏磁场大小比较，可看出非遮蔽式（non-shielded）电感之漏磁最严重；冲压式（molded）电感的漏磁最小，显示其磁遮蔽效果最好。这两种结构的电感之漏磁场大小相差约 14dB，也就是将近 5 倍。

8. 耦合（coupling）

在一些应用当中，有时 PCB 上会有多组直流转换器，通常会相邻排列，且其对应之电感器也会相邻排列的情况，如果使用非遮蔽式或加磁胶之半遮蔽式的电感器，可能会相互耦合，形成 EMI 干扰。因此，在放置电感时，建 议先标注电感的极性，将电感最内层之起绕点接到转换器之切换电压，如降压转换器的 VSW，即动点，而将电感之外层出线端接到输出电容，即静点；铜线绕阻也因此如同形成一定程度的电场遮蔽。在多路转换器的布线安排中，固定电感的极性，有助于固定互感的大小，避免一些意想不到的 EMI 问题。