Brug mini-støbte induktorer til at spare plads, reducere tab og forbedre strømintegritet og -effektivitet

Induktorer er en vigtig komponent i design af spændingskonvertere og regulatorer. På grund af deres rolle som energilagring og -genvinding findes de i næsten alle kredsløb, der regulerer strøm. I takt med at applikationerne udvikler sig i retning af mindre og mere kompakte designs, der skal være stadig mere strømeffektive, skal designerne være mere kræsne i deres valg af induktorer for at imødekomme disse tendenser og samtidig håndtere højere strømme.

Reduktion af effekttab og forbedring af effektiviteten afhænger i høj grad af en induktors design og kernemateriale. For eksempel reducerer brugen af mini-støbte induktorer induktorens volumen, samtidig med at den giver alle fordelene ved mere konventionelle induktorer, sammen med større afskærmning mod elektromagnetisk interferens (EMI), højere effekttæthed og lavere kernetab.

Denne artikel beskriver kort induktorer og induktans. Derefter introduceres mini-støbte induktorer fra Abracon LLC, og valg og anvendelse af dem diskuteres.

Induktorer og induktans

Induktorer er passive komponenter med to terminaler, som lagrer og frigiver energi i form af et magnetfelt. De har generelt form som en isoleret ledning, der er viklet som en spole. En strøm, der tilføres induktoren, skaber et magnetfelt, der er proportionalt med denne strøm i spolen. Hvis den tilførte strøm ændres, skaber det et tidsvarierende magnetfelt, som inducerer en elektromotorisk kraft (EMF) i lederen. Den inducerede spænding har en polaritet, som modsætter sig ændringen i strøm, der skabte den. Induktorer er kendetegnet ved deres induktans, som er forholdet mellem den inducerede spænding og strømmens ændringshastighed. Henry (H) er enheden for induktans, som kan øges ved at skabe en spole med flere vindinger, bygge et større tværsnit, mindske spolelængden eller bruge en kerne med et materiale med højere permeabilitet (figur 1).

Figur 1: Her ses de faktorer, der bestemmer en spoles induktans. (Billedkilde: Abracon)

Permeabilitet er en magnetisk egenskab, og kernematerialer med højere permeabilitet genererer en højere tæthed af magnetisk flux, hvilket gør det muligt at lagre mere energi. Derfor er induktansen også proportional med permeabiliteten af induktorens kernemateriale. En meget permeabel kerne kan reducere induktorens størrelse og vægt uden at reducere induktansværdien, hvilket resulterer i en mindre og lettere samlet pakke.

Kernematerialer omfatter luft, jern, stål, jernpulver, metalpulver, keramik og ferrit. Ferritter er keramiske materialer, der kombineres med pulveriseret jernoxid og/eller andre pulveriserede metaller for at give et kernemateriale med høj permeabilitet. Pulverkerner bruger pulveriserede magnetiske metaller blandet med et bindemiddel og en belægning. Valget af metal, bindemiddel og endda inkluderingen af luftbobler i blandingen bestemmer permeabiliteten af det resulterende kernemateriale.

Specifikationer for induktorer

De kritiske specifikationer for induktorer, der bruges i kraftapplikationer, er induktans, DC-modstand (DCR), mætningsstrøm, temperaturstigningsstrøm, nominel strøm, selvresonansfrekvens (SRF) og kvalitetsfaktor (Q).

DCR, også kaldet ledningstab, er den målte modstand i en induktor for en jævnstrømskilde. DCR varierer i forhold til induktansen på grund af ledningens længde og tværsnitsareal. Effektinduktorer har generelt et DCR på nogle få milliohm (mΩ) for at sikre lave ledningstab. I de fleste tilfælde er DCR angivet som en maksimal værdi.

Når strømmen gennem en induktor stiger, øges magnetfeltet proportionalt, indtil det når mætning; på dette tidspunkt begynder permeabiliteten at falde. Strømstigninger ud over dette punkt får induktansen til at falde. Mætningsstrømmen er den strøm, hvor modstanden falder en bestemt mængde af den nominelle induktans. Effektinduktorer bruger normalt et fald på 10 til 30 % som specifikationsgrænse.

Temperaturstigningsstrømmen er specificeret som det DC-niveau, hvor en induktors temperatur stiger med 40 °C.

Den nominelle strøm er specificeret som den laveste værdi af mætningsstrømmen eller temperaturstigningsstrømmen, hvilket gør det muligt for en induktor at fungere under den mindste af de to grænser.

SRF er den frekvens, hvor reaktansen af en induktors parasitære kapacitans er lig med reaktansen. På dette tidspunkt fungerer en induktor som et parallelt resonanskredsløb. Nettoreaktansen er nul, og impedansen er ekstremt høj og helt resistiv. Induktorer drives generelt under deres SRF i effektapplikationer.

En induktors Q er et mål for dens effektivitet og er forholdet mellem dens induktive reaktans og dens modstand ved en given frekvens. En højere Q betyder lavere tab, og jo tættere en induktors opførsel afspejler en ideel induktor.

Støbte effektinduktorer

Støbte effektinduktorer er overflademonterede enheder (SMD'er), der bruger støbeteknologi til at omslutte og indkapsle spolen i en induktor. I modsætning til traditionelle trådviklede induktorer presses en støbt induktors magnetiske pulvermateriale ind i en form omkring en trådspole, der omgiver lederne. Støbemassen, som regel et pulveriseret metal og et bindemiddel, bestemmer permeabiliteten af induktorkernen. Metalpulverfyldningen giver en blødere mætningsrespons end ferritfyldninger. Det giver også en meget effektiv magnetisk afskærmning, hvilket resulterer i lav magnetisk fluxlækage. En støbt induktor er en fast komponent, der er velegnet til barske miljøer og beskytter mod fugt, støv, stød og vibrationer. En støbt induktor udsender ikke akustisk støj, fordi den ikke har en lamineret kerne. Den enkle konstruktion i ét stykke giver fremragende mekanisk stabilitet og er kompakt og let.

Abracons miniformede induktorer giver alle fordelene ved formstøbte induktorer i en lille pakke, der måler under 3 millimeter (mm). Ud over deres kompakte størrelse har miniformede induktorer høj effekttæthed, lave kerne- og ledningstab og fremragende EMI-afskærmning.

AOTA-B1412- og AOTA-B2012-seriens mini-støbte induktorer tilbydes med et induktansområde fra 0,11 til 2,2 mikro Henry (µH) og har pakkedimensioner fra 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 tommer (in.)). til 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 in.) med en maksimal højde så lav som 0,65 mm (0,026 in.). Disse spoler håndterer nominelle strømme fra 1,9 til 6,4 ampere (A) og er beregnet til at fungere i et temperaturområde på -40 °C til +125 °C.

Et eksempel fra AOTA-B2012-serien er Abracon AOTA-B201208SR11MT, en 0,11 µH SMD mini-støbt induktor med en nominel strøm på 5,6 A og en mætningsstrøm på 10 A (figur 2). Den har en DCR på 13 mΩ og en SRF på 185 megahertz (MHz). Den er monteret i en 2,0 mm x 1,2 mm (0,079" x 0,047") pakke med en siddehøjde på 0,8 mm (0,031").

Figur 2: AOTA-B201208SR11MT er en typisk Abracon mini-støbt induktor i en sub-3 mm SMD-pakke, der beskytter mod miljøfaktorer som fugt, støv, stød og vibrationer. (Billedkilde: Abracon)

I det øverste induktansområde af Abracon AOTA-B2012-serien findes AOTA-B201208S2R2MT med en induktans på 2,2 µH, en nominel strøm på 1,8 A, en DCR på 130 mΩ og en SRF på 42 MHz. Den højere induktans kræver et større antal vindinger, hvilket øger DCR og reducerer den nominelle strøm og SRF sammenlignet med AOTA-B201208SR11MT. Pakkens dimensioner er de samme som AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm (0,079" x 0,047") med en højde på 0,8 mm (0,031").

Eksempler på Abracon AOTA-B1412-serien er AOTA-B141206SR33MT og AOTA-B141206SR47MT. Disse mini-støbte induktorer har den mindste indpakning med dimensioner på 1,4 mm x 1,2 mm (0,055" x 0,047") og en pakkehøjde på kun 0,65 mm (0,026"). AOTA-B141206SR33MT har en induktans på 0,33 µH, en nominel strøm på 3,5 A, en DCR på 32 mΩ og en SRF på 120 MHz. AOTA-B141206SR47MT har en induktans på 0,47 µH, en nominel strøm på 2,9 A, en DCR på 41 mΩ og en SRF på 115 MHz.

Anvendelser for miniformede induktorer

På trods af deres lille størrelse håndterer Abracons miniformede induktorer en betydelig effekt med lave kerne- og ledningstab, samtidig med at de giver en overlegen EMI-afskærmning. Disse egenskaber gør dem til ideelle valg til at imødekomme den hidtil usete efterspørgsel efter strømomformere i stadig mindre formfaktorer.

Typiske anvendelser for disse komponenter er effektafkobling, filtrering og DC/DC-omformere (figur 3).

Figur 3: Typiske anvendelser af Abracons miniformede induktorer omfatter effektafkobling, filtrering og DC/DC-omformere. (Billedkilde: Art Pini)

Afkobling af integrerede kredsløb fra strømbussen udnytter induktorens frekvensvariable impedans kombineret med en kondensators komplementære impedansegenskaber til at dæmpe højfrekvente signaler og støj og isolere dem fra de integrerede kredsløbs strømindgange. Lav DCR og høj SRF er de vigtige egenskaber for induktoren.

Filtre styrer signalstiens frekvensrespons og kan konfigureres som lav, høj, båndpas eller båndstop. Induktor-kondensator (LC)-filtre giver passive frekvensselektive svar til enheder med lav effekt, som ikke kræver aktive enheder.

Induktorer er det primære energilagringselement i DC/DC-omformere. De lagrer energi, mens kontakten er lukket, og genvinder den, når den åbnes.

Konklusion

Abracons miniformede induktorer giver fordelene ved formstøbte induktorer i en kompakt pakke, der er mindre end 3 mm. På trods af deres lille størrelse kan de håndtere betydelige effektniveauer med lave kerne- og ledningstab, hvilket sikrer fremragende strømintegritet i små elektroniske enheder.