新磁芯材料有助于推動最佳選擇

作者：Alex Nebel，汽車GAM現(xiàn)場應用工程師，基美電子（KEMET）

在為給定應用選擇最佳元件時，可以說電容器比其他類型的無源元件更受關(guān)注。但是，在有電容器的地方通常會有一個電感器，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，鐵氧體磁芯和金屬復合電感器的最新進展，為設計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，電感器可以像導線線圈一樣簡單。通過在磁芯周圍繞制導線，可以使電感值倍增。磁芯的材料特性對電感值有很大的影響，還可以通過設計形狀來優(yōu)化電感的特性。

當在電感器兩端施加電壓時，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，則會使電流以每秒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。電感器的主要特性包括：

·與電阻器不同，與感應電流有關(guān)的電能不會以熱量形式散發(fā)，而是會存儲在相關(guān)的磁場中。當電感器電流中斷時，它會返回電路。

·電感器的行為與頻率有關(guān)。

·當磁場存儲了它所能容納的能量時，電感器就會“飽和”。此后，若電流再有任何增加，磁場強度都不會增加，并且多余的電能會以熱量形式散發(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)換應用中的能量流。

當電路設計人員試圖將更多功能塞進越來越小的空間或增加功率密度時，需要電感器能夠以較小的元件尺寸提供高電感值。同時，為了避免功率損耗和效率降低，必須要將直流電阻（DCR）等有害寄生效應降至最小，并且在溫度變化和整個工作電流范圍內(nèi)，應使參數(shù)保持相對穩(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的制造公差來更嚴格地控制參數(shù)，鐵氧體磁芯電感器也在不斷發(fā)展和改進。

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。

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，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，可在大功率應用中節(jié)省大量空間，例如CPU負載點（POL）轉(zhuǎn)換器需要在POL和CPU引腳之間的區(qū)域使用多個電感器進行直流優(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。在與三個常規(guī)電感器所占相同的PCB面積內(nèi)，可以放置四個超薄TPI電感器。

圖1：組裝鐵氧體電感器。

金屬復合磁芯

另一方面，業(yè)界已開發(fā)出新型金屬復合磁芯材料，其飽和及散熱性能要比鐵氧體器件更好。金屬復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鐵氧體和金屬復合電感器的電感和飽和特性時，Mn-Zn鐵氧體表現(xiàn)出更高的標稱電感值。這通常對于電流是穩(wěn)定的，但是一旦達到飽和電流，電感就會急劇下降。在較高溫度下，飽和電流也會顯著降低。金屬復合電感器雖然相對于元件尺寸表現(xiàn)出較低的標稱電感，但具有更漸進的飽和特性并展現(xiàn)出更高的溫度穩(wěn)定性（圖2）。

圖2：鐵氧體和金屬復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用，并能夠在從遠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)建一個不導電的外層，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光直射下，因此這類應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——金屬復合電感器所取得的進展，使電感器磁芯技術(shù)之間的傳統(tǒng)鴻溝變得模糊?，F(xiàn)在，不管是對以效率為中心、尺寸受限的計算和數(shù)據(jù)中心應用，還是對汽車空間這樣尺寸受限且對溫度敏感的應用來說，相較于以往，設計人員都擁有更多的選擇來應對各種電源轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。