為當(dāng)今大批量移動(dòng)市場(chǎng)構(gòu)建功率電感的設(shè)計(jì)人員面臨著一個(gè)難以解決的困境。一方面，市場(chǎng)需要更高性能的系統(tǒng)，其中額外的功能在更高的電流水平下運(yùn)行。另一方面，它迫使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師將這些額外功能壓縮到更小的封裝中。以智能手機(jī)市場(chǎng)為例。今天的手機(jī)正在迅速?gòu)倪\(yùn)行在1到1.5 GHz之間的雙核處理器遷移到運(yùn)行超過(guò)2 GHz的四核處理器。因此，手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要用于電源電路的扼流圈，能夠支持用于提供電話新功能的更高工作電流。與此同時(shí)，手機(jī)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越小，越來(lái)越薄;因此，手機(jī)設(shè)計(jì)師還需要足夠小的扼流線圈以適應(yīng)手機(jī)縮小的尺寸。

平板電腦設(shè)計(jì)也可以看到相同的趨勢(shì)。今天的客戶需要更大，更高性能的屏幕。他們還期望更輕，更薄的片劑。例如，最初的Apple iPad平板電腦厚度為0.5英寸。 0.29英寸，最新的iPad Mini幾乎是厚度的一半。因此，平板電腦設(shè)計(jì)人員需要能夠支持更高電流水平的扼流線圈，同時(shí)又足夠小以適應(yīng)當(dāng)今領(lǐng)先產(chǎn)品所使用的極低外形。不幸的是，這些要求與傳統(tǒng)的扼流圈設(shè)計(jì)原理背道而馳。通常，扼流線圈由鐵氧體材料構(gòu)成。由于鐵氧體的飽和磁通密度不是很高，所以當(dāng)扼流線圈尺寸減小時(shí)，由于磁飽和，DC偏壓特性下降。結(jié)果，更高的電流不能通過(guò)扼流圈。這就是為什么設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向使用由高飽和磁通鐵基金屬磁性顆粒和有機(jī)粘合劑制成的壓實(shí)金屬粉末的電感器。在這些產(chǎn)品中，金屬磁性顆粒和線圈同時(shí)形成。然后粘合劑固化并用于在金屬顆粒之間提供絕緣。

鑒于移動(dòng)市場(chǎng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，新一代扼流線圈的需求將迅速增長(zhǎng)，可以在更小的環(huán)境中提供出色的性能特征腳印。盡管如此，制造商如何找到解決這一問(wèn)題的方法并構(gòu)建移動(dòng)設(shè)計(jì)人員需要的高性能而緊湊的電感器？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Taiyo Yuden的工程師開發(fā)出一種新的金屬磁性壓實(shí)粉末材料，它不使用有機(jī)物粘合劑。使用這種材料，該公司開發(fā)了一系列產(chǎn)品，有望滿足移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員的性能和小尺寸要求。本文將介紹新材料及其如何在MCOIL?金屬功率電感器中使用。

新微結(jié)構(gòu)

新材料最具革命性的方面是它不使用有機(jī)粘合劑。圖1和圖2顯示了這種新材料的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)。粉末由鐵（Fe），硅（Si）和鉻（Cr）組成。圖1中的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示金屬磁性顆粒之間的微隙中不存在有機(jī)粘合劑。圖2中的透射電子顯微鏡（TEM）圖像顯示了在金屬磁性粉末材料的金屬磁性顆粒表面上形成薄氧化層的顆粒之間的間隙。

圖1：此SEM圖像顯示Taiyo Yuden的新型金屬磁性壓實(shí)粉末材料中有機(jī)粘合劑的缺失（黑色區(qū)域）。

圖2：新材料的TEM圖像說(shuō)明太陽(yáng)誘電新材料中金屬磁性顆粒表面形成的薄氧化層。由于氧化物層的成分與金屬磁性顆粒相容，因此它為金屬磁性顆粒表面提供了優(yōu)異的絕緣特性。此外，氧化物層具有高結(jié)晶度 - 相鄰金屬磁性顆粒之間的氧化物層中沒(méi)有缺陷，并且晶體彼此連續(xù)地連接。鑒于這些品質(zhì)以及將該層控制在100至200nm厚之間的能力，氧化物層使得可以確保金屬磁性顆粒之間的絕緣和機(jī)械強(qiáng)度。這種特性使新材料能夠?yàn)槎罅魅?yīng)用提供卓越的性能特性。為了測(cè)量這種高結(jié)晶薄氧化層對(duì)扼流圈應(yīng)用的材料特性的好處，Taiyo Yuden的工程師測(cè)試了三種新材料。方式：彎曲強(qiáng)度，絕緣和磁導(dǎo)率。

新的MCOIL?產(chǎn)品

為了滿足當(dāng)今日益嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求，Taiyo Yuden開發(fā)了基于這一新產(chǎn)品的新系列產(chǎn)品金屬磁粉稱為金屬功率電感器MCOIL線。這些新器件采用金屬磁芯，其導(dǎo)磁率比傳統(tǒng)復(fù)合型功率電感器好2倍。它還在芯上采用Hi-μ屏蔽樹脂和纏繞線。該產(chǎn)品將有三個(gè)系列。 MC型是極低調(diào)的器件，能夠支持2A至3A范圍內(nèi)的電流水平。 MA類型支持略高的電流水平，最大約5 A，占地面積稍大。最后，較大的MD型器件在6 A至7 A范圍內(nèi)支持更高的電流水平。

與鐵氧體器件相比的性能優(yōu)勢(shì)

圖3所示的圖表說(shuō)明了新MCOIL MDMK4040的顯著性能優(yōu)勢(shì)類似于基于鐵氧體的NRS4012型器件的器件。使用鐵氧體器件，一旦DC偏壓超過(guò)2 A，電感就會(huì)急劇下降。利用其新型金屬磁粉的優(yōu)勢(shì)，MCOIL器件具有更穩(wěn)定的性能。如第一張圖所示，當(dāng)DC偏置從2 A增加到8 A時(shí)，電感緩慢下降。顯然，MCOIL器件不會(huì)像鐵氧體器件那樣快速飽和，從而可以支持更高的電流。

圖3：左圖比較了MCOIL器件的電感與其在不同DC偏置電平下的鐵氧體等效電容的比較。右圖描繪了DC偏置增加時(shí)的飽和效應(yīng)。

多重優(yōu)勢(shì)

通過(guò)將金屬磁性材料的優(yōu)勢(shì)與工藝技術(shù)的進(jìn)步相結(jié)合，新的MCOIL產(chǎn)品與早期的鐵氧體類型相比還可以節(jié)省大量空間產(chǎn)品。例如，Taiyo Yuden基于鐵氧體的NRS6014T1R2MMGG器件尺寸為6 x 6 x 1.4 mm。 MCOIL MDMK4040T1R2器件性能相當(dāng)，采用緊湊的4 x 4 x 1.2 mm封裝，占用空間減少56％。同樣，MCOIL 2.5 x 2.0 x 1.2 mm MAMK2520T1R0的性能與基于4.0 x 4.0 x 1.2 mm鐵氧體的NRS4012T1R0NDGG相當(dāng)，占地面積減小69％。

圖4：尺寸減小與基于鐵氧體的等效設(shè)備相比，MCOIL設(shè)備具有相同的電氣性能。

最近，Taiyo Yuden宣布在其金屬功率電感器MCOIL系列中生產(chǎn)更薄的設(shè)備。 MDKK1616和MDKK2020設(shè)備針對(duì)智能手機(jī)，平板電腦和固態(tài)硬盤，分別為1.64 x 1.64 mm和2.0 x 2.0 mm方形，最大高度僅為1 mm。 Taiyo Yuden還提供2.0 x 1.64 x 1.0 mm的設(shè)備。

新的MCOIL系列在RFI屏蔽方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)。如下圖所示，基于金屬的MCOIL MAMK2520T器件的發(fā)射遠(yuǎn)低于基于鐵氧體的替代器件。這種特性可以多種方式提高性能并簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，包括降低其他周圍電路的噪聲，最大限度地降低屏蔽罩或其他元件靠近電源線圈時(shí)的效率損失，并最大限度地減少與其他電源線圈的串?dāng)_。

結(jié)果圖5：MCOIL器件與等效鐵氧體器件相比的射頻輻射。

Taiyo Yuden工程師的廣泛測(cè)試也突出了MCOIL電感器與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的線繞鐵氧體或金屬型替代品相比的固有優(yōu)勢(shì)。如圖6a所示，與競(jìng)爭(zhēng)性線繞鐵氧體類產(chǎn)品相比，MCOIL產(chǎn)品的直流偏置特性逐漸下降，這些產(chǎn)品通常性能迅速下降。這種能力是MCOIL器件在更小的占位面積中支持更高電流水平的能力的核心。此外，新型電感器表現(xiàn)出對(duì)溫度的穩(wěn)定直流偏置特性（圖6b）。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的繞線鐵氧體產(chǎn)品相比，MCOIL系列還具有顯著更低的交流電阻和更高的效率（圖6c）。

圖6：MCOIL與鐵氧體電線的性能比較 - 傷口等效物顯示出直流偏壓（6a），溫度（6b），交流電阻和效率（6c）的顯著改善。

與復(fù)合金屬器件相比的性能優(yōu)勢(shì)

如前所述，設(shè)計(jì)人員正在尋找鐵氧體的替代品 - 基于電感器。結(jié)果，現(xiàn)在存在使用由高飽和磁通鐵基金屬磁性顆粒和有機(jī)粘合劑制成的壓實(shí)金屬粉末的替代方案。如圖所示，MCOIL產(chǎn)品在物理尺寸，DC特性，RF，AC電阻和效率方面明顯優(yōu)于鐵氧體等效產(chǎn)品。然而，與新型金屬粉末器件的比較如何？下面的圖7展示了MCOIL相對(duì)于金屬型電感器的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在這里，MCOIL提供明顯更好的交流電阻和Q因子。它還提供更好的電源效率。其他測(cè)試也證實(shí)了MCOIL材料的強(qiáng)大性質(zhì)和性能。 （有關(guān)這些測(cè)試的詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn)附錄A.）

頻率特性

圖7：MCOIL性能與競(jìng)爭(zhēng)金屬?gòu)?fù)合電感的比較。

結(jié)論

高性能移動(dòng)設(shè)備為功率電感器制造商提供了一個(gè)充滿希望的市然而，如果電感器供應(yīng)商能夠提供移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員所需的性能，那么這個(gè)機(jī)會(huì)只會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)消除有機(jī)粘合劑的使用并提高滲透性和絕緣性，MCOIL系列中使用的金屬磁性材料使Taiyo Yuden的工程師能夠在不影響性能的情況下減小線圈尺寸。這些進(jìn)步共同為移動(dòng)應(yīng)用的新一代金屬功率電感器打開了大門。