今天，金籟科技給大家分享一下電感，變壓器的難點所在。
電感的儲能公式W=1/2*L*I^2。
這個公式，本質上講跟電容的儲能公式形式等價：W=1/2*C*U^2。
再自己想想，大家會發現跟高中時期學的力學物體運動的動能公式形式也一樣：E=1/2*M*V^2。
既然有動能，那么就有勢能，彈簧的勢能，E=1/2*K*X^2。
以上四個公式中，前兩者電容電感是電磁能的公式，后兩者是物質機械能的公式。
大家都知道機械能中，動能跟勢能相互轉換就是振動，動能跟勢能同時轉換就是機械波，比如水波、振動波、聲音等等。波是能量傳遞的一種基本方式，可惜的是波的學習在大學物理中，很多二三線高校就沒有深入的開展，所以導致很多人不了解波。
跟物質機械能類似，電能的容器是電容，磁能的容器是電感(準確的名字應該是磁容)，電能與磁能的相互轉換是LC振蕩，電能與磁能同時轉換就是電磁波。
此外，大家要注意到，所有這些公式前面都有一個1/2，這個是很有意思的，比如，在恒定電壓下，給電容充電，電容只能獲得1/2供電端的能量，還有一半損失在電阻上了，這個規律在機械上也如此，典型的案例就是汽車起步時很耗油，勻速后油耗*低。起步時汽車速度為0，燃燒的氣體對活塞做功，這些功幾乎都轉化為熱能浪費了。所以要想降低損耗，需要降低檔位，緩慢起步，讓活塞運動速度與汽車速度的落差減少(這個中間有減速器和離合器，起步主要靠離合器實現速度落差阻尼匹配，類似RC充電電路的電阻，阻尼電壓差)。
電容常見的指標有容量、耐壓兩個，其次是損耗，頻率特性，損耗跟頻率特性，跟介質材料有極大關系。
金籟科技一體成型電感
那么電感同樣也有類似的指標，電感量，耐流，其次是損耗，頻率特性，同理也跟磁性材料有極大關系。
電感，之前講了，應該屬于磁容，容納磁的東西，相比電容容納電場，電感就是容納磁場，根據安培環路定律，電流就是磁，因為有電流就會產生磁場，所以跟電容對應，電感存儲的是磁，也就是電流。
電容的電荷量公式Q=C*U，同理電感的磁通量公式Φ=L*I。(在多匝線圈中，要除以匝數，Φ=L*I/N)
電容的電荷量不能無限制的增加，若太多，電壓升高，會導致介質擊穿E=U/d
電感的磁通量同樣不能無限制的增加，若太多，磁壓升高，會導致磁性材料的磁飽和，這是電感學習的難點，很多電感，都是圍繞著電感量和磁飽和展開的，而電感量和磁飽和，是一對矛盾體，接下來核心講這一對矛盾體。
我們以磁環電感為例來講，
電感量的公式：L=kN^2，k為系數，N為匝數，電感量跟線圈的匝數的平方成正比，注意，是平方成正比。
磁通量的公式：Φ=L*I/N=k*N*I。磁通量為電流與匝數成正比。
電感量跟匝數平方成正比，而磁通量跟匝數成正比，確定形狀后，不同的磁性材料，*大磁通量有一個極限，為了統一到材料上去，不考慮形狀，一般用磁通量密度，也就是磁感應強度表示：B=Φ/S，也就是單位面積的磁通量。所以不同的材料，*大磁感應強度是不同的，比如鐵氧體材料錳鋅、鎳鋅*大磁飽和是0.5T，也就是5000高斯，一般取值小于0.3T，鐵粉芯的磁飽和為1T。
我們自己制作的電感，需要滿足三個條件：1、電感量大小；2、磁感應強度不能達到飽和；3、體積、發熱量。電感所有的問題基于這個展開。
設計電感，我們總是想用*小的磁環、*短的銅線達到目的，并且還沒有發熱量。若想實現這個，那么磁性的材料損耗必須要低，此外銅線短一些，銅的發熱量也少，尤其在高頻下，銅線因為趨膚效應發熱量提高。
基于上述條件，一般采用高磁導率低損耗的錳鋅或者鎳鋅材料，錳鋅常見的是PC40材料，磁導率為2500，鎳鋅適合更高的頻率，但磁導率低一些，往往是800高的磁導率，很容易得到高的電感，所以很適合做高頻變壓器。現在開關電源基本上工作在100KHz上，都是用錳鋅來做變壓器的。
金籟科技高頻變壓器
然而，在一些場合，比如變壓器整流后輸出，需要電感濾波，這個時候同時存在交流和直流電，很高的磁導率，很容易讓直流導致磁飽和，類似一個喇叭，沒聲音的時候，應該在音圈振動的中心原點，而因為有直流存在，偏離中心點了，這樣交流波動的范圍就大大縮小。所以這個時候需要調整策略，首先要選擇磁飽和大的磁芯，比如上面講到，鐵粉芯磁飽和可以達到1T，高于錳鋅一倍，其次，鐵粉芯磁導率較低，一般為60甚至更低，磁導率低了，繞的圈數就要多一些才能達到想要的電感量，或許大家會問，電感量低了，圈數繞多了，同樣也要導致磁飽和啊，不知道大家注意到上面講的一點沒有，電感量跟圈數的平方成正比，而磁感應強度跟圈數成正比，也就是說，隨著圈數的提高，電感量很快達到我們想要的值，而磁感應強度卻沒有達到飽和。利用電感量跟圈數的平方關系，而磁感應強度與圈數線性關系，實現了很好的平衡電感量與磁飽和，這一點非常關鍵。
像現在的大功率電源前段都有PFC，也就是功率因數校準，都需要升壓用的電感，這個電感流過的電都是交直流復合的，所以一般用鐵粉芯材料，現在比較好的一種鐵粉芯名叫鐵硅鋁，磁導率125附近，發熱量較低。
可以這么講，目前市面上大部分開關電源，變壓器一般用高磁導率的鐵氧體材料錳鋅，而升壓、降壓濾波，帶直流分量的都是用低磁導率的鐵粉芯材料。
本文由好電感 金籟造的金籟科技發表。