新磁芯材料有助于推動(dòng)最佳選擇

作者：Alex Nebel，汽車GAM現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，基美電子（KEMET）

在為給定應(yīng)用選擇最佳元件時(shí)，可以說電容器比其他類型的無(wú)源元件更受關(guān)注。但是，在有電容器的地方通常會(huì)有一個(gè)電感器，其原因是為了讓電氣系統(tǒng)正常工作，通常需要利用電容器的靜電特性以及電感器的電磁特性。

現(xiàn)在，鐵氧體磁芯和金屬?gòu)?fù)合電感器的最新進(jìn)展，為設(shè)計(jì)人員提供了更多選擇和更大功率，以便優(yōu)化其電路的性能、可靠性和成本。

電感器基礎(chǔ)

在最基本的形式中，電感器可以像導(dǎo)線線圈一樣簡(jiǎn)單。通過在磁芯周圍繞制導(dǎo)線，可以使電感值倍增。磁芯的材料特性對(duì)電感值有很大的影響，還可以通過設(shè)計(jì)形狀來優(yōu)化電感的特性。

當(dāng)在電感器兩端施加電壓時(shí)，電流的上升速率與電壓和電感值有關(guān)。1亨利（1H）電感器上若有1V電勢(shì)，則會(huì)使電流以每秒1A的速度增加。這里適用的公式是：V=L*di/dt。

電感器具有重要的特性，工程師可以利用它們來管理能量和控制信號(hào)。電感器的主要特性包括：

·與電阻器不同，與感應(yīng)電流有關(guān)的電能不會(huì)以熱量形式散發(fā)，而是會(huì)存儲(chǔ)在相關(guān)的磁場(chǎng)中。當(dāng)電感器電流中斷時(shí)，它會(huì)返回電路。

·電感器的行為與頻率有關(guān)。

·當(dāng)磁場(chǎng)存儲(chǔ)了它所能容納的能量時(shí)，電感器就會(huì)“飽和”。此后，若電流再有任何增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度都不會(huì)增加，并且多余的電能會(huì)以熱量形式散發(fā)。

利用這些特性，電感器通常用于模擬濾波電路，以及用來管理開關(guān)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的能量流。

當(dāng)電路設(shè)計(jì)人員試圖將更多功能塞進(jìn)越來越小的空間或增加功率密度時(shí)，需要電感器能夠以較小的元件尺寸提供高電感值。同時(shí)，為了避免功率損耗和效率降低，必須要將直流電阻（DCR）等有害寄生效應(yīng)降至最小，并且在溫度變化和整個(gè)工作電流范圍內(nèi)，應(yīng)使參數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定。磁芯材料性能的提高使電感制造商能夠滿足這些要求。

與任何工程挑戰(zhàn)一樣，優(yōu)化磁芯材料特性涉及折衷，即雖然在某些方面提高了性能，但在其他方面卻要接受權(quán)衡。盡管業(yè)界開發(fā)了新的磁芯材料技術(shù)，例如燒結(jié)金屬粉末磁芯，但傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯所提供的優(yōu)勢(shì)仍將繼續(xù)具有吸引力。隨著制造商找到新的方法來優(yōu)化器件特性并通過更精細(xì)的制造公差來更嚴(yán)格地控制參數(shù)，鐵氧體磁芯電感器也在不斷發(fā)展和改進(jìn)。

目前通常使用兩種主要的常規(guī)鐵氧體材料配方：鎳鋅（Ni-Zn）和錳鋅（Mn-Zn）。Ni-Zn鐵氧體通常會(huì)有更好的磁芯電阻，而其他元件參數(shù)（包括飽和特性、熱特性和與尺寸有關(guān)的電感）則較不利。另一方面，Mn-Zn磁芯可實(shí)現(xiàn)高單位體積電感和高效率，而飽和特性、散熱性能和磁芯電阻則不那么強(qiáng)。

新鐵氧體磁芯技術(shù)

為了顯著降低與Mn-Zn鐵氧體電感器有關(guān)的DCR和鐵芯損耗，基美電子（KEMET）創(chuàng)造了一種新型電感器，稱為組裝鐵氧體。它們由兩部分磁芯和一條直接端子扁平導(dǎo)線組成，如圖1所示。這些器件結(jié)合了Mn-Zn電感器的大電感和高效率優(yōu)勢(shì)，具有低DCR和低鐵損。

這種結(jié)構(gòu)使垂直定向電感器的出現(xiàn)成為可能，例如寬度僅為6.0mm的TPI系列。這種器件比傳統(tǒng)的電感器小2.0mm，可在大功率應(yīng)用中節(jié)省大量空間，例如CPU負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器需要在POL和CPU引腳之間的區(qū)域使用多個(gè)電感器進(jìn)行直流優(yōu)化。盡管器件附近的空間變得極為有限，但最好還是將電感器靠近引腳放置，從而最大程度地減小直流線路損耗。在與三個(gè)常規(guī)電感器所占相同的PCB面積內(nèi)，可以放置四個(gè)超薄TPI電感器。

圖1：組裝鐵氧體電感器。

金屬?gòu)?fù)合磁芯

另一方面，業(yè)界已開發(fā)出新型金屬?gòu)?fù)合磁芯材料，其飽和及散熱性能要比鐵氧體器件更好。金屬?gòu)?fù)合電感器的磁芯由鐵粉組成，其磁芯形狀是通過將這些鐵粉與粘合劑混合后壓制形成。

此外，高磁導(dǎo)率的磁芯材料可以使電感器的DCR降低，因此在大電流下工作時(shí)其自發(fā)熱降低。這樣既可以提高系統(tǒng)效率，又可以減少對(duì)散熱器等散熱管理器件的依賴（表1）。

表1：流行的電感器磁芯技術(shù)比較。

在比較Mn-Zn鐵氧體和金屬?gòu)?fù)合電感器的電感和飽和特性時(shí)，Mn-Zn鐵氧體表現(xiàn)出更高的標(biāo)稱電感值。這通常對(duì)于電流是穩(wěn)定的，但是一旦達(dá)到飽和電流，電感就會(huì)急劇下降。在較高溫度下，飽和電流也會(huì)顯著降低。金屬?gòu)?fù)合電感器雖然相對(duì)于元件尺寸表現(xiàn)出較低的標(biāo)稱電感，但具有更漸進(jìn)的飽和特性并展現(xiàn)出更高的溫度穩(wěn)定性（圖2）。

圖2：鐵氧體和金屬?gòu)?fù)合材料的飽和電流和溫度穩(wěn)定性比較。

基美電子最近推出了一種新的METCOM電感器系列，該系列包含100多種器件，電感值從0.10μH到47.00μH，DCR值低至1.5mΩ。這些電感器可在-55℃至+155℃的溫度范圍內(nèi)工作，封裝尺寸小至5.3mm×5.00mm×2.0mm，因此適用于密集封裝的電源應(yīng)用，并能夠在從遠(yuǎn)低于零度到很高溫度的工業(yè)或汽車引擎室內(nèi)等挑戰(zhàn)性環(huán)境中進(jìn)行部署。

在典型的既定電感器結(jié)構(gòu)中，線圈是纏繞在磁芯上，而METCOM磁芯則是在線圈上形成（圖3）。這將創(chuàng)建一個(gè)不導(dǎo)電的外層，形成屏蔽作用，而將磁通量控制在電感器體內(nèi)。這樣就可以提高工作效率。EMI性能也可得到改善，從而最大程度地減少對(duì)周圍電路的干擾。

圖3：METCOM電感器的結(jié)構(gòu)。

滿足汽車溫度和空間限制

汽車的引擎室或車艙等位置常暴露在陽(yáng)光直射下，因此這類應(yīng)用中所用的元器件很容易承受高溫。METCOM電感器在很寬的工作溫度范圍內(nèi)都具有出色的穩(wěn)定性，因此能夠在汽車應(yīng)用中提供出色的性能。

另一方面，在需要大電感但空間限制非常嚴(yán)格的地方，TPI系列鐵氧體電感器等解決方案可以節(jié)省空間，從而滿足重要的電氣性能要求。

總結(jié)

直接端子組裝鐵氧體電感器的到來，以及——得益于出色的飽和與散熱特性以及固有EMI屏蔽的優(yōu)勢(shì)——金屬?gòu)?fù)合電感器所取得的進(jìn)展，使電感器磁芯技術(shù)之間的傳統(tǒng)鴻溝變得模糊?，F(xiàn)在，不管是對(duì)以效率為中心、尺寸受限的計(jì)算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，還是對(duì)汽車空間這樣尺寸受限且對(duì)溫度敏感的應(yīng)用來說，相較于以往，設(shè)計(jì)人員都擁有更多的選擇來應(yīng)對(duì)各種電源轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。