本系列文章是笔者总结多年工作经验，结合理论与实践进行整理备忘的笔记。希望能在帮助自己温习整理避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。笔者会不定期进行查漏补缺。如有谬误，欢迎大家进行指正。
一、设计要点
1.电流降额建议按照1-10%-电感精度进行，主要设计参数是按照饱和电流进行降额；
2.一般而言，电感选型时感值尽量大、DCR尽量小、体积尽量大，除非对动态响应要求特别高且用电容无法实现，可以考虑用小感值来实现更好的动态性能；
3.弱驱动信号，尽量远离功率电感，包括相邻层、电感两端网络的通孔等，例如高电平只有上拉的I2C、PCIe的CLKREQ等信号；
4.工字电感漏磁较多EMI风险更大、扁线电感在相同体积下可以实现更小DCR、；
5.电感的磁芯损耗通常比较难以预估，如果供应商提供仿真数据可以进行参考，如果没有一般电阻率高、磁导率低的磁芯材料可以带来更小的磁芯损耗，代价是体积可能更大、电流参数更小；
6.在特定工作调节下，可能出现电感啸叫的现象，可以采用调整工作频率、点胶、调整堆叠位置等方案减轻啸叫的影响；
二、要点说明
1.电感结构
电感是一种电路元件，它可以在自身磁场中储存能量。当电流增加，磁场就会增强。电感是把电能转化为磁能而存储起来的元件，它只阻碍电流的变化，有通电与未通电两种状态，如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它；如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。
电感是采用绝缘线绕成线圈形成的。线圈可以是不同的形状和尺寸，也可以使用不同的芯材缠绕。 电感的大小则取决于匝数、磁芯尺寸和磁导率等多种因素。
电感公式：L=uAN^2/I
u，磁导率；
A，线圈面积；
N，线圈匝数；
I，线圈长度；
磁导率主要与磁芯材料和磁场回路结构（气隙分布等因素）有关，空气的磁导率约为1，铁约为50150，镍锌铁氧体材料的磁导率范围在40150，锰锌铁氧体材料的磁导率范围在300~20000。其他设计相同的情况下，无磁芯材料的空心线圈电感的感值远小于有磁芯材料的电感。
2.参数解释
a.电感值 (L)
电感将感应的电能存储为磁能的能力通过电感值来体现。在开关输入电压驱动电感的同时，电感要为输出负载提供恒定的直流电流。其定义公式为：
L=V/（di/dt）
V，电感两端压降；
di/dt，流经电感的电流变化率；
需要注意的时，不同频率、不同电流下电感值并不是恒定的，一般功率电感的规格书在给出电感值时都会注明测试调试。
b.直流电阻（DCR）
直流电阻，就是绕组导线两端的电阻，可以按照一般电阻公式来计算：
R=ρ*l/A
R，直流电阻；
ρ，电阻率；
l，绕组导线长度；
A，绕组导线截面积；
一般情况下，直流电阻是电感损耗的主要来源，所以DCR越小越好。DCR往往和电感值正相关，所以选型时小感值电感的优势主要体现在这里。扁线绕组比圆线绕组具有更小的DCR。
c.交流电阻（ACR）
由于临近效应和趋肤效应，交流电流流经的电阻与绕组的直流电阻不完全一样，频率越高差异越大，一般计算时可以用DCR和电流有效值进行简单估算得到全部导线损耗（Wire Loss）。
d.温升电流 (Irms）
温升电流是指使电感温度升高规定的量所需的直流电流。温升 (ΔT) 不是一个标准值，但通常在 20K 至 40K 之间。温升电流是在室温开放环境中测到，实际应用时一般会加上散热措施，并且出现温升也不一定会使电感损坏，导致这个参数的参考意义有限。如果不采取散热措施的场景，可以根据这个参数评估设计的温升风险。一般尺寸越大，温升电流也越大。
e.饱和电流（Isat）
饱和电流是指电感值在下降到一定的百分比之前，电感可以支持的直流电流。 每个电感的参考百分比电感下降值都是唯一的。通常，制造商将该值设置在 20% 到 35% 之间，这会使电感的比较变得很困难。但数据手册通常会提供一条曲线，显示电感如何随直流电流变化。利用这条曲线可以衡量整个电感范围，以及它如何响应直流电流。
因为直流电流越大，电感值下降越多，我们看到的流经电感的三角波形，实际上斜边并不是真正的直线，斜率绝对值随电流增大而增大。直流饱和电流取决于温度和电感磁性材料及其磁芯结构。不同的结构和磁芯都会影响Isat值。
确保电感工作电流不超过饱和电流至关重要，因为超过饱和电流后，电感值会急剧下降，电流波形也会急剧增加，电感温度剧烈上升。
铁氧体磁芯是最常见的，其特点是具有硬饱和曲线，超过饱和电流后感量下降特别剧烈。合成塑封电感在温度/电流变化时感量下降稳定，具有软饱和特性。
蓝色曲线为典型的合成塑封电感软饱和示例；红色曲线为典型的 NiZn/MnZn 磁芯电感硬饱和示例。
f.自谐振频率（fR）
由于功率电感存在寄生电容和直流电阻，也存在自谐振现象，在谐振频率之下，阻抗处于最大值，有效电感为0。其模型如下
在谐振频率下，负容抗 (Xc) 等于正感抗 (XL), ，其值可通过公式估算：
j2ΠfL=1/(j2ΠfC)
f=1/2Π\sqrt[2]{LC}
电感在谐振频率 (fR)之前具有电感特性（如下图中的蓝色曲线所示），因为频率增加，阻抗增高，呈现电感特性。超过谐振频率之后（如下图中的红色曲线所示），电感则显现出阻抗减小的电容特性。超过这一点之后，电感也不会按预期工作。
功率电感的实际应用中，通常无需特意考虑自谐振频率的影响。部分设计指导建议挖空电感下方铜皮，以减小寄生电容，提高自谐振频率，获得更好的电感特性。因为工作频率和自谐振频率往往相差十倍以上，这点措施仅仅有很小的优化，但是对于布线难度、EMI、信号干扰等方面带来的问题可能更多，无需教条地遵守。
g.品质因素（Q）
品质因数为无功功率与有功功率的比值，即一个工作周期中电感存储/释放的能量与自身损耗的能量之比，显然Q越大性能越好，功率电感的选型中一般不太考虑这个参数，而更多关注具体的损耗。主流电感供应商的仿真参数都会给出这个值，可以作为选型参考。
3.电感的损耗
电感的损耗由线圈损耗（Wire Loss）和磁芯损耗(Core Loss)两部分组成。线圈损耗，又叫铜损，包括直流损耗和交流损耗，前面介绍直流电阻和交流电阻进行了介绍，计算时可以按照DCR和电流有效值进行估算。磁芯损耗，又叫铁损，包括磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。
a.磁滞损耗
磁芯被磁化时，一部分能量为磁场的势能，在外加电压去掉后，这部分势能转换为电能，使得电感线圈的电流保持连续，而不是跳变为零。另一部分能量驱动磁畴磁畴克服阻尼跟随磁场强度变化而转动，这部分能量会变成热量耗散掉。由于磁畴之间的相互作用和磁矩转动的阻尼，磁畴的转动不会立即跟随磁场的变化而变化，而是会有一定的滞后，想要恢复到相同的磁畴状态需要更大的磁场变化量，也就是磁滞特性。这部分损耗被称为磁滞损耗。磁滞回线如下
磁化曲线中阴影部分的面积代表了在一个工作周期内，磁芯在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。如上图可知，影响损耗面积大小几个参数是：最大工作磁通密度B、最大磁场强度H、剩磁Br、矫顽力Hc，其中B和H取决于外部的电场条件和磁芯的尺寸参数，而Br和Hc取决于材料特性。电感磁芯每磁化一周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大，磁感应摆幅越大，包围面积越大，磁滞损耗越大。
b.涡流损耗
在磁芯线圈中加上交流电压时﹐线圈中流过激励电流﹐激磁安匝产生的全部磁通Φi在磁芯中通过﹐如下图。磁芯本身是导体﹐磁芯截面周围将链合全部磁通Φi而构成单匝的副边线圈。
涡流电势只和面积、绕线匝数、电感电流等参数相关，显然，磁芯的电阻率越高，涡流电阻越大，涡流损耗相应越小。
c.剩余损耗
剩余损耗是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。它主要是在高频1MHz以上一些驰豫损耗和旋磁共振等，在开关电源几百KHz的电力电子场合剩余损耗比例非常低，可以近似忽略。
为了减小电感的磁芯损耗，可以采取以下措施：
1）选择低损耗磁芯材料：选择具有高电阻率、低矫顽力、低磁滞损耗和低涡流损耗的磁芯材料，如铁氧体、纳米晶材料等。
2）优化磁芯结构：通过减小磁芯的间隙、增加磁芯的层数、优化磁芯的形状和尺寸等措施，提高磁芯的磁导率，减小磁芯中的涡流损耗和磁滞损耗。
3）控制工艺过程：在磁芯的制造过程中，严格控制工艺参数，如烧结温度、时间、气氛等，确保磁芯材料的性能稳定和一致。
4）优化电路设计：通过合理的电路设计，减小电感器在工作过程中产生的磁场变化范围和频率，从而减小磁芯损耗。
对于磁芯材料的导磁率，一般来说低导磁率可以减少磁芯损耗，但是导磁率太低电感感值难以做大，或者需要更大的体积。对于具体的功率电感而言，磁芯损耗是个工程上很难精确预估的变量，一般可以参考厂家的实测数据/仿真数据，或者参考相同尺寸/磁芯材料/感值的物料的参数。
4.电感啸叫
电感啸叫也是工程上经常容易遇到的问题，电感啸叫由于电感振动产生，当振动频率在人耳听力范围20Hz~20kHz之间，且振动幅度较大时，就会发出人耳能听到或者被MIC设备当成声音采样到的啸叫。电感振动的原因包括如下几点：
a.磁性体磁芯磁致伸缩（磁应变）作用
对磁性体施加磁场使其磁化后，其外形会发生细微变化。该现象称为"磁致伸缩"或"磁应变"。以铁氧体等磁性体为磁芯的电感器中，绕组所产生的交流磁场会使磁性体磁芯发生伸缩，有时会检测到其振动声。在磁性体上绕有线圈的状态下流过电流，当施加所产生的交流磁场时，磁性体将会反复伸缩，并产生振动。为此，在功率电感器中，无法完全消除磁致伸缩所导致的磁性体磁芯振动。功率电感器单体振动水平虽小，但当贴装至基板上时，若其振动与基板的固有振动数一致，则振动将会被放大，从而会听到啸叫。
b.磁性体磁芯磁化导致相互吸引；
磁性体被外部磁场磁化时将会表现出磁铁性质，从而与周围磁性体相互吸引。图6所示为全屏蔽型功率电感器示例。此为闭合磁路结构的功率电感器，但鼓芯与屏蔽磁芯(环形磁芯)间设有间隙，噪音有时会从该处发出。绕组中流过交流电流时，因产生的磁场而被磁化的鼓芯与屏蔽磁芯将会因磁力而相互吸引，若该振动在人耳可听频率范围内时，则会听到噪音。
鼓芯与屏蔽磁芯之间的间隙通过粘接剂进行封闭，但为了防止因应力产生开裂，因此不会使用较硬的材料，从而无法完全抑制因相互吸引所导致的振动。
c.漏磁通导致绕组振动；
不带有屏蔽磁芯的无屏蔽型功率电感器中，不会因前述鼓芯与屏蔽磁芯磁化导致的相互吸引而产生啸叫。但在无屏蔽型产品中会发生其他问题。由于无屏蔽型产品为开放磁路结构，因此漏磁通会对绕粗产生作用。由于绕组中会流过电流，因此根据佛来明左手定则，力会作用于绕组上。为此，当交流电流流过绕组时，绕组本身会发生振动，从而产生啸叫。
同时，由于如下原因啸叫噪声被进一步放大，使得电感啸叫现象变得更加明显：
d.电感与其他元件接触；
在高密度贴装有多个电子元件及设备的电源电路基板中，若电感器与其他元件接触，则电感器的微小振动将会被放大，从而会听到啸叫。
e.漏磁通导致对周边磁性体产生作用；
当电感器附近存在屏蔽罩等磁性体时，磁性体会因电感器漏磁通影响产生振动，从发生啸叫。
3）与包括基板在内的组件整体固有振动数一致；
通常情况下，用于电感器等产品中的小型磁性体磁芯单体，其磁致伸缩导致的空气振动基本不会被识别为啸叫。但电感器由多个部件组合而成，且贴装于基板上时，将会产生多个人耳可听频率的固有振动数，该振动放大后便会形成啸叫。同时，若与组件整体的多个固有振动数相一致时，在安装至组件中之后有可能会发生啸叫。
电感啸叫问题的改善措施包括：
1）调整电感的工作频率，避开人耳可听到的频率范围；
2）功率电感周围避免放置磁性体；
3）错开单板结构的共振频率；
4）尽量使用较小尺寸的电感，较大尺寸的电感更容易产生啸叫；
5）采用一体成型电感或工字电感，避免鼓芯和环形磁芯之间的吸引振动；
6）采用磁致伸缩更小的磁芯材料制作的电感。
