新型電感器磁芯滿足業(yè)界對(duì)更小、更安靜、更可靠電源所需
發(fā)布時(shí)間:2019-08-15 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】工程復(fù)合磁芯使電感器制造商可將大電感集成到小體積中。FlakeComposite新技術(shù)將磁芯性能提升到了一個(gè)新的水平,并增加了額外的機(jī)械彈性,可支持新型的超薄器件。
工程復(fù)合磁芯使電感器制造商可將大電感集成到小體積中。FlakeComposite新技術(shù)將磁芯性能提升到了一個(gè)新的水平,并增加了額外的機(jī)械彈性,可支持新型的超薄器件。
功率電感器是用于管理開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中能量流的關(guān)鍵器件,可確保平穩(wěn)輸電并幫助協(xié)調(diào)換向。為了保持電流流動(dòng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,而使電路在主開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)能正確工作,工程師需要選擇合適的電感值來(lái)存儲(chǔ)足夠的能量。
雖然為了支持連續(xù)或不連續(xù)電流模式(CCM或CDM)或諧振工作,電感值的計(jì)算會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)換器的類型而有所不同,但對(duì)于給定的額定電流,電感值與尺寸相比通常要大。此外,還需要在預(yù)期頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性能,而對(duì)于汽車或航空航天等應(yīng)用來(lái)說(shuō),還需要提供溫度穩(wěn)定性并提高最高工作溫度。
工程電感器達(dá)到極限
電感器的屬性受物理定律限制。對(duì)磁芯材料進(jìn)行精心設(shè)計(jì),有助于將這些限制推向極限,從而為工程師的應(yīng)用提供最佳參數(shù)組合。通常使用的磁芯材料包括錳鋅(MnZn)和鎳鋅(NiZn)鐵氧體,以及由特殊配方合金顆粒(由絕緣粘合劑隔開(kāi))所形成的金屬粉末芯。盡管通過(guò)增加磁芯體積來(lái)解決電源應(yīng)用很困難,但薄膜電感器也可以通過(guò)沉積鈷基合金來(lái)制造,從而實(shí)現(xiàn)具有良好飽和性能的高磁導(dǎo)率。
盡管存在一些缺點(diǎn),但鐵氧體磁芯具有高磁導(dǎo)率——NiZn材料高達(dá)300左右,而MnZn則會(huì)更高。這些材料往往很脆,因此不適合嵌入到PCB中,或制造薄型電感器,例如平面橫向通量器件。此外,它們會(huì)經(jīng)歷突然的飽和,而引起電感隨直流偏置的增加而發(fā)生急劇滾降。
就粉末芯而言,流行的合金包括鐵硅(FeSi)或鐵硅鋁(FeSiAl),以及包括非晶鐵和坡莫合金在內(nèi)的其他組合物。這類分布式氣隙磁芯具有顆粒結(jié)構(gòu),其飽和特性比鐵氧體電感器要軟,因此對(duì)小偏移直流偏置較不敏感。另一方面,其磁導(dǎo)率通常要比鐵氧體小約一個(gè)數(shù)量級(jí),其有機(jī)粘合劑也不能耐受高工作溫度。
新的金屬薄片壓制技術(shù)現(xiàn)在可以生產(chǎn)出磁導(dǎo)率與NiZn鐵氧體相當(dāng)、軟飽和特性與傳統(tǒng)粉末芯可比的分布式氣隙磁芯材料。此外,這種新型FlakeComposite磁芯還具有更高的溫度穩(wěn)定性、更高的最高工作溫度和機(jī)械靈活性。這種靈活性增加所帶來(lái)的不僅是有機(jī)會(huì)創(chuàng)造超薄電感器,而且還可以在PCB內(nèi)嵌入強(qiáng)大的電感器而節(jié)省空間,并可以探索機(jī)會(huì),將新型電感器(如橫向磁通電感器)與有源器件一起集成在下一代電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中。
性能比較
圖1給出了FlakeComposite磁芯材料與鐵氧體、粉末和薄膜磁芯的關(guān)鍵磁導(dǎo)率和飽和特性對(duì)比。
圖1:FlakeComposite的磁導(dǎo)率與鐵氧體相當(dāng),并具有卓越的飽和性能。
眾所周知,鐵氧體材料在高頻、高溫或高直流偏流值下會(huì)失去磁導(dǎo)率,導(dǎo)致電感值迅速降低,從而影響性能。為了確保FlakeComposite磁芯電感器至少能夠與鐵氧體電感器一樣好,我們需要比較頻率、溫度和直流偏置性能。
圖2比較了FlakeComposite與NiZn鐵氧體復(fù)合磁導(dǎo)率的頻散。兩種材料的曲線圖顯示,磁導(dǎo)率在約6MHz以上迅速降低,這表明FlakeComposite在工作頻率高達(dá)1MHz的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中,性能與NiZn相同或者更好。
圖2:對(duì)于高達(dá)數(shù)MHz頻率的電源應(yīng)用來(lái)說(shuō),F(xiàn)lakeComposite所提供的性能與NiZn鐵氧體相當(dāng)。
對(duì)磁飽和特性進(jìn)行比較,F(xiàn)lakeComposite進(jìn)入飽和要比NiZn鐵氧體更軟,并且溫度相關(guān)性更低,因此大有裨益(圖3)。
圖3:與NiZn鐵氧體相比,F(xiàn)lakeComposite的磁飽和曲線更軟,溫度相關(guān)性更低。
圖4對(duì)FlakeComposite與NiZn鐵氧體和傳統(tǒng)金屬?gòu)?fù)合材料(粉末)的直流偏置性能進(jìn)行了對(duì)比。FlakeComposite結(jié)合了兩種類型的優(yōu)勢(shì),在低偏置下具有與NiZn相當(dāng)?shù)膬?yōu)異磁導(dǎo)率,而在高偏置下則可保持更高的磁導(dǎo)率,并且溫度相關(guān)性最低。
圖4:當(dāng)施加高直流偏置電場(chǎng)時(shí),直流偏置特性顯示FlakeComposite具有更高的磁導(dǎo)率。
如果電感器工作溫度達(dá)到磁芯材料的居里溫度——在該溫度下磁芯會(huì)失去磁性——則磁芯磁導(dǎo)率會(huì)迅速下降,從而使電感快速損失。如圖5所示,F(xiàn)lakeComposite的居里溫度也高于典型的NiZn或MnZn鐵氧體。
圖5:FlakeComposite的居里溫度更高,可確保在更高的工作溫度下保持電感值。
電感器變薄且占位面積變小
為了不斷降低負(fù)載點(diǎn)(PoL)轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換模塊的占位面積,業(yè)界已提出集成有源和無(wú)源元器件的新設(shè)計(jì)。與先前用于構(gòu)建薄型電感器的傳統(tǒng)縱向通量模式不同,這些設(shè)計(jì)所用平面電感器經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì),因而具有橫向通量模式。隨著電感器厚度的降低,與傳統(tǒng)的縱向通量器件相比,橫向磁通電感器顯現(xiàn)出越來(lái)越優(yōu)越的電感。FlakeComposite的機(jī)械特性可實(shí)現(xiàn)厚度為50μm至2mm的電感器,因此非常適合制造超薄橫向磁通電感器。
采用FlakeComposite制造的電感器極薄卻堅(jiān)固,為了幫助節(jié)省占位面積,在將其嵌入到PCB時(shí)也可實(shí)現(xiàn)固有對(duì)齊,并且與傳統(tǒng)鐵氧體磁芯相比,也可降低高達(dá)40%的電感器高度。
彈性高磁導(dǎo)率材料
除了可用于功率電感器之外,F(xiàn)lakeComposite的磁性和機(jī)械性能組合還適用于包括EMI抑制和屏蔽無(wú)線輸電線圈在內(nèi)的電磁屏蔽應(yīng)用,從而可優(yōu)化充電性能并保護(hù)附近的電子設(shè)備。 FlakeComposite技術(shù)是基美電子Flex Suppressor®產(chǎn)品的核心,事實(shí)證明這類產(chǎn)品可在各種應(yīng)用中減少電磁噪聲。
總結(jié)
FlakeComposite這種新方法可以優(yōu)化電感器的磁芯性能,并進(jìn)一步拓展機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)未來(lái)電源轉(zhuǎn)換電路的小型化設(shè)計(jì),因此它將超越當(dāng)前鐵氧體磁芯材料所取得的成就。FlakeComposite可提供類似的磁導(dǎo)率,以及卓越的飽和特性、直流偏置性能和更高的溫度性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超薄功率電感器設(shè)計(jì),并為PCB嵌入式電感器提供所需的機(jī)械性能,從而實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)省空間。
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