电感详解：定义、作用、分类与使用要点

一、电感的基本定义

电感（Inductor） 是由导线绕制而成的储能元件，其核心特性是阻碍电流变化，将电能转化为磁能存储。

• 基本公式：

  • 自感电动势：
    E = -L * (di/dt)
    （L：电感值，单位亨利H；di/dt：电流变化率）

  • 感抗：
    XL = 2πfL
    （f：频率，XL：交流阻抗）

  • 储能公式：
    W = 0.5 * L * I²
    （I：流经电感的电流）

---

二、电感的核心作用

作用	原理与公式	典型应用场景
滤波与储能	抑制高频噪声，平滑电流突变： V_ripple = (ΔI * L) / (8 * f_sw)	开关电源输出滤波、DC-DC转换器
能量转换	Boost/Buck拓扑中的能量传递： Boost：Vout = Vin / (1-D) Buck：Vout = D * Vin	升压/降压电路、无线充电
阻抗匹配	与电容谐振： fr = 1 / (2π√(LC))	射频匹配网络、天线调谐
抑制浪涌电流	限制电流变化率： di/dt = V / L	电机驱动、继电器控制
EMI抑制	高频扼流： Z_CM = jωL_CM	电源输入端的共模滤波

---

三、电感的主要分类

1. 按结构与材料分类

类型	结构特点	关键参数	应用场景
绕线电感	铜线绕制在磁芯（铁氧体/铁粉芯）	电感值：1μH~100mH 饱和电流：1A~50A	电源转换、电机驱动
叠层电感	多层铁氧体片堆叠，铜层嵌入	电感值：10nH~10μH SRF：100MHz~10GHz	手机射频、高速数字电路
一体成型电感	磁粉与线圈一体压铸	低EMI辐射 饱和电流：0.5A~20A	紧凑型电源模块
磁珠	铁氧体磁环包裹导线	阻抗曲线：100MHz~1GHz	信号线EMI抑制

---

四、电感关键参数解析

1. 电感值（L）

   • 测量频率：通常标注在100kHz~1MHz下的值。

   • 频率响应：高频下电感值可能下降（磁芯材料限制）。

2. 饱和电流（I_sat）

   • 定义：电感值下降10%时的电流（磁芯饱和失效）。

   • 设计规则：工作电流 ≤ 80% I_sat。

3. 直流电阻（DCR）

   • 热损耗：P_loss = I² * DCR

   • 优化目标：DCR应低于总功耗的10%。

4. 自谐振频率（SRF）

   • 定义：电感与寄生电容谐振的频率。

   • 公式：SRF = 1 / (2π√(L * Cp))

---

五、电感使用注意事项

1. 避免磁饱和

   • 选型步骤：

     1. 计算峰值电流：I_peak = I_out + ΔI/2

     2. 选择：I_sat ≥ 1.2 * I_peak

2. 高频特性匹配

   • SRF选择：工作频率 ≤ 0.5 * SRF

   • 布局优化：缩短引脚长度以减少寄生电容。

3. 热管理

   • 温升计算：ΔT = (I² * DCR) / (热阻 * 散热面积)

   • 散热设计：功率电感需预留散热过孔或金属铺铜。

4. EMI控制

   • 屏蔽电感：用于敏感电路（如ADC附近）。

   • 非屏蔽电感布局：远离敏感信号线（间距 > 3倍电感高度）。

---

六、电感选型案例

案例：Buck转换器（输入24V → 输出12V/5A，开关频率500kHz）

1. 计算电感值：
   L = (24V - 12V) * 12V / (24V * 1A * 500kHz) = 12μH

2. 选型要求：

   • 饱和电流：I_sat ≥ 6.6A

   • 最终选型：Würth 7443631200（12μH，I_sat=7.5A，DCR=25mΩ）

---

七、总结

• 选型核心：

  • 电流需求 → 饱和电流与DCR

  • 频率匹配 → SRF与磁芯材料

  • 热设计 → 温升与封装散热

• 设计箴言：

  “高频叠层射频稳，功率绕线电流强；
  饱和电流留余量，热阻压降不可忘。”