何謂功率電感器？功率電感器概要

第1章 何謂功率電感器？

1.1功率電感器概要

線圈是呈螺旋狀的電極的總稱。其中，用于電氣用途線圈被稱為電感器，并且可以分為兩類，一類是用于信號(hào)系統(tǒng)的RF電感器，另一類是用于電源系統(tǒng)的功率電感器。本項(xiàng)中說(shuō)明的功率電感器，是在DC-DC轉(zhuǎn)換器等的電壓轉(zhuǎn)換電路中，構(gòu)成其一部分的元件。

下面說(shuō)明功率電感器在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的作用。功率電感器被用于將某種電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓的升壓、降壓，或者被用于升降壓電路。其中，主要在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式電路中使用。

圖1-1為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式降壓電路的事例。

利用IC、功率電感器、電容器，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。功率電感器承擔(dān)的作用是與電容器配合，將從IC輸出的矩形波輸出轉(zhuǎn)換為直流（詳情在第2章中說(shuō)明）。

只要缺少其中的任何一個(gè)，就無(wú)法正確整流。

圖1-1 降壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器概要

1.2功率電感器的基本特性

那么在選定功率電感器時(shí)，應(yīng)當(dāng)查看哪些參數(shù)呢？各制造商的功率電感器產(chǎn)品目錄上，主要記載了下列技術(shù)規(guī)格。圖1-2呈現(xiàn)了技術(shù)規(guī)格表的一個(gè)示例。

◆電感

◆額定電流……直流疊加額定電流 Isat 溫升額定電流 Itemp ◆直流阻抗Rdc

◆工作溫度范圍

圖1-2 功率電感器特性表

可是僅憑這個(gè)，還是不清楚應(yīng)該選擇哪種技術(shù)規(guī)格的功率電感器。例如，電感高的好還是低的好、需要多大的額定電流之類，因?yàn)楸仨毟鶕?jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作條件適當(dāng)?shù)剡x擇。本章介紹功率電感器技術(shù)規(guī)格的看法。

＜電感＞電感值是影響紋波電流和負(fù)載響應(yīng)特性的一個(gè)非常重要的參數(shù)。DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的功率電感器中通過(guò)圖1-3所示的三角波電流。一般來(lái)說(shuō)，可將紋波電流⊿IL設(shè)置為負(fù)載電流Iout的30%左右。因此，只要決定DC-DC轉(zhuǎn)換器的條件，就能根據(jù)以下算式計(jì)算適當(dāng)?shù)墓β孰姼衅麟姼小?/p>

圖1-3 功率電感器中通過(guò)的電流波形

但是，在DC-DC轉(zhuǎn)換器上幾乎都記載了功率電感器的適當(dāng)電感值作為參考值。因此，即使不進(jìn)行上述算式之類的計(jì)算，也能按照制造商的參考值選定。

＜額定電流＞額定電流規(guī)定了電流值的上限，通過(guò)的直流電流超過(guò)該值時(shí)，無(wú)法保障質(zhì)量。功率電感器的額定電流有兩種，一種規(guī)定了直流疊加額定電流（Saturation），另一種規(guī)定了溫升額定電流（Temperature）。各自具有重要含義，往往分別記載技術(shù)規(guī)格。

?。┲绷鳢B加額定電流 Isat電感器的特性之一是直流疊加特性。為了獲取高電感，電感器的芯部（磁心）采用鐵氧體等磁性體材料。電流通過(guò)電感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁性體的磁飽和現(xiàn)象，電感會(huì)下降。將這種特性稱為直流疊加特性。直流疊加額定電流規(guī)定了電感相對(duì)于未疊加電流的初始特性下降一定比例時(shí)的電流值。

ⅱ）溫升額定電流 Itemp這是以元件的發(fā)熱為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超過(guò)該范圍使用，會(huì)導(dǎo)致元件損壞或組件故障。一般來(lái)說(shuō)是按溫度上升⊿40℃的電流值規(guī)定的。

下面看一下作為功率電感器使用時(shí)，應(yīng)該如何決定這些額定電流。如圖1-3所示，電感器中最大通過(guò)Iout+⊿IL/2的電流。如果電流值在Isat以上，電感的下降就會(huì)增大，如圖1-4的紅線所示，三角波電流的形狀異常，紋波電流增加。由于紋波電流成為改變輸出電壓的因素，如果紋波電流增加，就會(huì)引起負(fù)載端系統(tǒng)動(dòng)作異常。因此，必須選定Isat在最大電流以上的產(chǎn)品。

至于溫升額定電流，即使超過(guò)額定值，電感器也不會(huì)馬上損壞。因此，應(yīng)以Itemp值在Iout以上為標(biāo)準(zhǔn)選定。

圖1-4 直流疊加特性引起的紋波電流變動(dòng)

＜直流阻抗 Rdc＞表示通過(guò)直流電時(shí)的阻抗值。由于該阻抗值，因發(fā)熱而產(chǎn)生電力損耗，所以直流阻抗越小損耗越少。但是，減小Rdc與直流疊加特性、尺寸小型化等存在折衷關(guān)系。只要從上述的滿足電感、額定電流等必要特性的電感器當(dāng)中，選定Rdc更小的產(chǎn)品即可。

＜工作溫度范圍＞這是規(guī)定使用電感器時(shí)的環(huán)境溫度容許范圍的參數(shù)。溫度的影響因電路的工作環(huán)境而異，因此要設(shè)想實(shí)際使用環(huán)境后選定。

下面看一下實(shí)際的DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器選定示例。以圖1-5所示的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器為例。這里假設(shè)在下列條件下動(dòng)作的情況。

圖1-5 降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器事例

根據(jù)以下算式，適當(dāng)電感的大小約為1.0μH。

同時(shí)，Iout=1.5A，⊿IL約為Iout的30%，即0.45A，因此最大電流為如下所示：Iout+⊿IL/2＝1.725A

如此一來(lái)，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的電感器。

只要使用村田的設(shè)計(jì)輔助軟件“SimSurfing/DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)輔助工具”，即可根據(jù)所要求的技術(shù)規(guī)格搜索最佳產(chǎn)品。如圖1-6的紅框所示，在搜索項(xiàng)目中輸入電感、尺寸、Itemp、Isat的要求值后，即在藍(lán)框部分列表顯示符合條件的產(chǎn)品。

圖1-6 利用設(shè)計(jì)輔助軟件“SimSurfing”根據(jù)條件搜索

如果選擇產(chǎn)品，還能比較直流疊加特性等基本特性。

在圖1-7中，選擇了DFE252010F-1R0MLQH2HPN1R0MGRLQM2HPN1R0MGH

三種產(chǎn)品比較疊加特性。根據(jù)這些結(jié)果可知，在本事例中DFE252010F-1R0M滿足要求條件，具有低Rdc和高Isat特性。

圖1-7 利用設(shè)計(jì)輔助軟件“SimSurfing” 比較基本特性

1.3功率電感器的類型

下面介紹功率電感器的類型。村田的功率電感器有三種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品線，分別是金屬合金繞線型、鐵氧體繞線型、鐵氧體多層型。從可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備到醫(yī)療、工業(yè)電器、汽車設(shè)備，對(duì)于廣泛用途，提供最佳電感器。

圖1-8 功率電感器的結(jié)構(gòu)

下面分別介紹各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和技術(shù)。

＜金屬合金繞線型＞金屬合金繞線型是采用繞線和涂布了樹(shù)脂的金屬磁性粉熱壓而成電感器。從大型產(chǎn)品到小型產(chǎn)品，可以適用于大電流領(lǐng)域。金屬磁性材料與后述的鐵氧體材相比，雖然透磁率較低，但卻具有出色的直流疊加特性，屬于適合大電流的材料。近年來(lái)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)速度不斷提高，低電感需求日益增加，金屬合金繞線型在大部分市場(chǎng)逐漸成為主要商品。

此外，金屬磁性材料還有一大特點(diǎn)，就是溫度特性優(yōu)于鐵氧體材料。導(dǎo)磁率受環(huán)境溫度的影響很小，因此在高溫時(shí)也能保持穩(wěn)定的直流疊加特性。目標(biāo)市場(chǎng)涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括汽車、智能手機(jī)、HDD等等。

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圖1-9 金屬合金繞線型的結(jié)構(gòu)與外觀

金屬合金繞線型技術(shù)包括金屬磁性材料及其加工技術(shù)、采用了銅絲的繞線技術(shù)（圖1-10）。村田確立了自己的材料技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的繞線結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)磁率及高絕緣性。依靠這些技術(shù)的融合，可以提高電感的獲取效率、降低直流阻抗，實(shí)現(xiàn)支持大電流的產(chǎn)品線。

圖1-10 金屬合金繞線型的截面圖

＜鐵氧體繞線型＞鐵氧體繞線型電感器是將銅絲在鐵氧體芯部盤繞成螺旋狀。村田的大多數(shù)鐵氧體繞線型，都在鐵氧體芯部盤繞的銅絲上涂布了磁性樹(shù)脂。樹(shù)脂涂層的目的是減少漏磁通，提高電感的獲取效率和強(qiáng)度。因?yàn)殍F氧體的導(dǎo)磁率很高，在高電感領(lǐng)域使用時(shí)，選擇鐵氧體繞線型有利。目標(biāo)市場(chǎng)涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括智能手機(jī)、TV、HDD等等。

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圖1-11 鐵氧體繞線型的結(jié)構(gòu)與外觀

鐵氧體繞線型技術(shù)、包括鐵氧體材料和磁性樹(shù)脂材料技術(shù)、鐵氧體芯形成技術(shù)以及從細(xì)線到粗線對(duì)應(yīng)的繞組技術(shù)(圖1-12)。村田將這些技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了尺寸種類繁多和廣泛的電感產(chǎn)品。

圖1-12 鐵氧體繞線型的截面圖

＜鐵氧體多層型＞鐵氧體多層型電感器是將磁性材料與內(nèi)部電極交互疊加燒結(jié)而成的。與繞線結(jié)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)小型化、薄型化。對(duì)于小型低電感需求，使用金屬合金繞線型的情況日益增加，小型大L、高耐壓領(lǐng)域越來(lái)越需要鐵氧體多層型的特性。

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圖1-13 鐵氧體多層型的結(jié)構(gòu)與外觀

鐵氧體多層型技術(shù)，包括鐵氧體材料技術(shù)、高縱橫比的內(nèi)部電極形成技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、疊層技術(shù)（圖1-14）。村田獲得了無(wú)法靠傳統(tǒng)的疊片實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部電極高縱橫比技術(shù)，可以進(jìn)一步降低阻抗。同時(shí)，依靠高自由度的磁路間隙形成技術(shù)，抑制磁飽和，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的直流疊加特性。依靠這些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了支持需要小型化和薄型化領(lǐng)域的產(chǎn)品線。

圖1-14 鐵氧體多層型的截面圖

下面比較一下上述各種結(jié)構(gòu)的功率電感器的性能。

＜功率電感器的性能比較＞要比較的功率電感器性能，主要有1)電感值、2)直流疊加特性、3)溫度特性、4)耐電壓、5)漏磁通。了解這些信息，就能分別選擇結(jié)構(gòu)適合各種必要性能的功率電感器。

1) 電感值電感值的可獲取范圍，取決于功率電感器的結(jié)構(gòu)。鐵因?yàn)殍F氧體材料的導(dǎo)磁率高，氧體繞線型可以獲取10uH以上的高電感，范圍廣泛。鐵氧體多層型的提及比繞線型小，因此屬于10uH以下的低電感領(lǐng)域。金屬合金繞線型也因?yàn)槠洳牧咸匦?，最適合10uH以下的低電感。

圖1-15 各種結(jié)構(gòu)的電感范圍

2) 直流疊加特性數(shù)字電路之類的大電流通過(guò)的電路，要求功率電感器的電感不因大電流而下降，也就是說(shuō)，需要直流疊加特性優(yōu)良的功率電感器。這是因?yàn)殡姼胁幌陆?，紋波電流就能固定不變，從而保持穩(wěn)定的電路動(dòng)作。金屬合金繞線型與鐵氧體型相比，不易產(chǎn)生磁飽和，因此具備出色的直流疊加特性。

圖1-16 各種結(jié)構(gòu)的疊加特性

3) 溫度特性就像汽車用電源電路一樣，在高溫下使用功率電感器時(shí)，其溫度特性非常重要。磁性材料具有導(dǎo)磁率隨溫度變化的溫度特性，與鐵氧體相比，溫度對(duì)金屬磁性材料導(dǎo)磁率的影響較小，可以說(shuō)這一特性非常出色。

金屬合金繞線型的電感值和直流疊加特性變化不大。圖1-17是環(huán)境溫度25℃～125℃時(shí)，金屬合金繞線型與鐵氧體品的直流疊加特性。可見(jiàn)金屬合金繞線型在125℃時(shí)，其特性與25℃時(shí)沒(méi)有區(qū)別。

圖1-17 各種結(jié)構(gòu)的溫度特性

4) 耐電壓LED等升壓電路、高降壓比的電源電路，必須注意功率電感器的耐電壓。金屬合金繞線型采用絕緣樹(shù)脂覆蓋金屬磁粉，確保其絕緣性，與鐵氧體繞線型相比，有絕緣性較低的趨勢(shì)。因此，金屬合金繞線型具有許多出色的特性，在高耐電壓下使用時(shí)必須確認(rèn)。

5) 漏磁通來(lái)自電感器的漏磁通，會(huì)作為一種噪聲，對(duì)其他電路產(chǎn)生影響；特別是元件之間的距離受到制約的電源電路，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)等級(jí)下降或失靈等。漏磁通的大小往往取決于電感器的結(jié)構(gòu)，屬于閉合磁路結(jié)構(gòu)的金屬合金繞線型和鐵氧體多層型有利。這是因?yàn)橐氆@取相同電感時(shí)，采用金屬合金繞線型、鐵氧體多層型，可以減少漏到外部的磁通（圖1-18）。各種結(jié)構(gòu)的漏磁通的比較結(jié)果如圖1-19所示。根據(jù)其結(jié)果可知，金屬合金繞線型、鐵氧體多層型與鐵氧體繞線型相比，漏磁通被控制在較低水平。

圖1-18 金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的截面圖

圖1-19 各種結(jié)構(gòu)的漏磁通

表1匯總了這些性能比較結(jié)果。選擇功率電感器時(shí)，請(qǐng)以這些為參考，選擇適合用途的產(chǎn)品。

表1 各種結(jié)構(gòu)的性能比較

最后介紹這些功率電感器的推薦產(chǎn)品線。功率電感器的用途，大致可以分為一般用和車載用，這里是根據(jù)電感值和尺寸介紹一般用的示例。金屬合金繞線型可以采用廣泛的電感值和尺寸。鐵氧體繞線型的優(yōu)勢(shì)是屬于高電感產(chǎn)品，鐵氧體多層型的優(yōu)勢(shì)是屬于小型產(chǎn)品。

圖1-20 功率電感器（一般用）的產(chǎn)品線

1.4選定功率電感器時(shí)的課題

在1.1～1.3章中說(shuō)明了功率電感器特性的看法、制作工藝特點(diǎn)的差異?？墒?，設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的并非功率電感器本身的特性，而是在DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用時(shí)的性能。

圖1-21表示同樣尺寸和L值的金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率測(cè)量結(jié)果示例。根據(jù)圖1-21可知，根據(jù)元件的類型，效率差別很大，約為3%。

可是，令人遺憾的是無(wú)法根據(jù)此次說(shuō)明的技術(shù)規(guī)格理解這種差異。要想根據(jù)實(shí)際性能選定商品，必須更加深入理解功率電感器的特性，并根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作條件進(jìn)行評(píng)估。

因此，將在下一章中說(shuō)明DC-DC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作原理，以及DC-DC轉(zhuǎn)換器性能與功率電感器技術(shù)規(guī)格的關(guān)系。此外，關(guān)于如何利用村田DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)輔助工具評(píng)估功率電感器在DC-DC轉(zhuǎn)換器上的實(shí)際性能，也展示實(shí)際案例。

圖1-21 金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的效率測(cè)量結(jié)果