尽管数字电路得到了广泛的应用，例如处理器、可编程逻辑电路和结合了它们的SoC系统，但电子设计人员通常必须使用“模拟”元件，如：电阻器、电容器和电感器。有趣的是，在集成电路结构中制作电阻器或电容器（具有皮法量级的电容）相对容易，但制作电感器则却非常的困难。因此，很多元器件的应用中，仍将电感器（感应线圈）作为外接元器件包含在内。本文提供了有关电感器的基本信息，并说明了影响参数的构造元素。

电感器的构造

电感器不是复杂的元件，它由铁芯和缠绕在其上的绝缘导体线圈组成。电感器芯可以是空气或采用磁性材料制成。重要的是缠绕在铁芯上的绕组是绝缘的，因此电感器采用绝缘线或非绝缘线（如所谓的银线）制成，但具有适当的气隙以确保匝线与匝线之间所需的隔离。如果电感器采用裸线一圈一圈的缠绕，则就构成了短路，是的，这样也会产生一些电感，但肯定和预期的不一样。

在实践中，由于超过允许的温度或电压，电感器经常受损，包括因绕组导线的绝缘层被击穿而使得绕组之间产生短路。损坏的电感器需要重新缠绕或更换成新的。电源变压器经常因此种方式受损。如果继续使用损坏的变压器则可能会导致其过热、电网短路甚至变压器本身或由其供电的设备起火（火灾）。

什么是电感器？

电感器是一种将能量以磁场形式存储在铁芯中的元件，因此它能将电能转换为磁能，反之亦然。流过绕组的电流变化，会产生一个方向与该变化相反的电动势。同样，穿透磁芯的变化磁场会感应出电压。这可用如下公式表示：

在公式中:

• e - 是电感器产生的电动势（以伏特为单位的电压），

• dϕ/dt - 是磁通量随时间的变化，

• di/dt - 是电流随时间的变化，

• L -是电感器参数，称为电感，其单位为亨利。

很容易看出前面所提到的特性，电动势e与导致电流流动的电压方向相反。这阻碍了流经电感器的电流的快速变化，这是其主要应用领域之一，即使用电感器作为扼流圈。

电感器-基本参数

电感器的基本参数是它的电感和谐振频率。电感是电感器以电流引起的磁场形式存储能量的能力。电感以亨利为单位，表示为瞬时电压与电流随时间变化的比率。

电感器端子上的电流和压降图。下降在通电时最大，并随着时间的推移而消退。这种下降阻碍了电流的增加，因此电流在通电时具有最小值并随时间而增加。因此通常说，在电感器中，电压超前于电流

上图显示了当电压接通至电感器端子时，电感器两端的电压和流过线圈的电流会发生的变化。红色实线表示电流。可以看出，电流从接通电源的那一刻起开始增加，直到达到由欧姆定律确定的最大电流值，即端子处电压与电感器电阻的比值。蓝色虚线表示电感器上的压降过程。可以看出，在开始时下降最大，在电流达到最大值后为最小。这是因为产生的感应电压与施加至端子的电压方向相反。

在讨论非理想电感器的参数时提到了电感器的谐振频率，因为它与寄生电容有关。

磁芯材料和相对磁导率

电感器的一个非常重要的元件是磁芯。磁芯的特征在于所采用材料的类型和其相应的相对磁导率。这是相对磁导率，因为它是根据真空磁导率来确定的。这是一个无量纲数值，定义为给定介质的磁导率 (绝对值μ) 与真空磁导率μ0之比。

根据定义，磁导率是确定给定材料或介质在磁场强度发生变化时改变其磁感应强度的能力的量。换句话说，磁导率是一种材料或介质的特性，它决定了集中磁力线的能力。

根据国际数据委员会（CODATA）2002年公布的数据，真空磁导率是一个标量，用符号μ0表示，其SI值为μ0 = 4·Π·10-7= 约12.566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m]。

电感器的电感表达公式如下：

公式中各个符号的含义为：

• L - 以亨利为单位的电感，

• μ0 - 真空磁导率，

• μ - 磁芯材料的相对磁导率，

• Z - 线圈匝数，

• S - 线圈的横截面积，

• l - 线圈长度。

洁净染空气的相对磁导率与真空的磁导率相差不大，因此为简单起见，在工程实践中，采用μ = 1，空气线圈电感的公式为：

 根据伦茨规则（即“右手法则”）方向的磁力线以蓝色绘制

就磁性而言，材料可分为顺磁体（其置于磁场中能成为磁铁）、铁磁体（在磁场中磁化）和抗磁体（减弱磁场）。磁芯材料类型对电感器的参数有很大的影响。在完全真空中，没有任何可影响电感和磁场强度关系的粒子。因此，在每种材料介质中，由于介质具有磁导率，电感公式将予以修改。对于真空，相对磁导率恰好为 1。对于顺磁体，相对磁导率略大于1，而对于抗磁体，相对磁导率则略小于1。对于以上两种类型介质，差异非常小，以至于在技术应用中经常被忽略，取值等于 1 。

让我们在此给出对电感器影响最大的线圈参数：

• 以下参数的增加，会导致线圈电感的增加：

• 绕组匝数，

• 芯材的相对磁导率，

• 线圈表面积，

• 减小线圈长度。

• 以下情况会让线圈的电感减小：

• 减少匝数，

• 降低芯材的相对磁导率，

• 减小表面积，

• 增加线圈长度。

什么要使用芯材？首先是能够比空气线圈采用更少绕线匝数来存储更多的能量。其次是线圈的机械结构，铁芯为线圈及其在目标设备中的安装提供了骨架结构。第三个重要原因是集中和传导磁场。在某些应用中，能够通过改变磁芯相对于匝数的位置来调整线圈的电感，同样这也非常重要，如通过将磁芯滑入或滑出。

非理想电感器

到目前为止，我们已经讨论了理想线圈的参数。但在实际情况中，绕组线本身会有一定的电阻和电容，这会影响线圈的实际参数，这一点我们还没有予以考虑。

该图显示了实际电感器的等效直流图。代表绕组线电阻的电阻器与匝数串联。当电流流过线圈时，不仅会引起电压降，还会以热量的形式产生功率损耗，从而导致线圈发热，并改变铁芯的特性的参数。从而降低了整个设备的能量效率。

 用于直流分析的电感器等效示意图

在交流分析中，还要考虑导体各层绝缘所产生的寄生电容，因此在等效图中，除了电阻外，还有电容并联在电感器端。这样就创建了一个RLC谐振电路，电感器本身在达到谐振频率之前是电感性的，达到谐振频率之后就是电容性的。因此，电感器的阻抗随着谐振频率而增加，在谐振时达到最大值，超过谐振频率后则开始降低。

实际电感器在达到其谐振频率时的特性变化。等效图上的符号: L –电感，EPC –寄生电容，EPR – 象征功率损耗的并联电阻，ESR – 象征绕组导线电阻的串联电阻)

电感器中的三种功率损耗

在电感器的应用中，需考虑三种主要类型的功率损耗。首先是前面已经提到的串联电阻损耗，即绕组线本身的电阻。在应用中，应该考虑到这种功率损耗，尤其是当流过线圈的电流很高时。我们经常在电源和电源电路中接触到它。这种类型的损耗会导致线圈发热，从而导致整个设备发热。这也是最常见的损坏原因，因为过热会损坏绝缘层并使匝间产生短路。

第二种功率损耗是磁芯损耗。它们的出现是由于铁芯的不均匀性、出现涡流和磁畴位置变化。当流过线圈的电流较低时，这些损耗则占据主导地位。它们可以出现在高频电路、数字信号分离器等中。它不会导致线圈损坏，但会导致敏感电路信号电平丢失等问题。

第三种类型的功率损耗是由于磁通量损耗而产生的功率损耗，其产生原因可和机械紧固件、铁芯中的气隙或最终电感器本身的制造疏忽有关。