有電容器的地方就有電感器

在為給定應(yīng)用選擇最佳部件時(shí)，可以說電容器比其他無源元件類型更受關(guān)注。然而，在有電容器的地方，通常會(huì)有一個(gè)電感器，因?yàn)?a target="_blank">電氣系統(tǒng)通常需要利用電容器的靜電特性以及電感器的電磁特性才能正常運(yùn)行。

鐵氧體磁芯和金屬復(fù)合電感器的最新進(jìn)展現(xiàn)在為設(shè)計(jì)人員提供了更多選擇和更多功能，以優(yōu)化其電路的性能、可靠性和成本。

電感基礎(chǔ)

在最基本的形式中，電感器可以像線圈一樣簡單。通過在磁芯周圍形成導(dǎo)線，可以使電感倍增。磁芯的材料特性對電感有很大影響，也可以設(shè)計(jì)形狀以優(yōu)化電感器的特性。

當(dāng)在電感器上施加電壓時(shí)，電流以取決于電壓和電感值的速率上升。1-Henry （1H） 電感器上的 1V 電位會(huì)導(dǎo)致電流以每秒 1A 的速度增加。公式：V=L*di/dt 適用。

電感器具有重要的特性，工程師可以利用這些特性來管理能量和操縱信號。電感器的主要特性包括：

與電阻器不同，與感應(yīng)電流相關(guān)的功率不會(huì)以熱量的形式消散，而是存儲(chǔ)在相關(guān)的磁場中。當(dāng)電感電流中斷時(shí)返回電路

電感行為與頻率有關(guān)

當(dāng)磁場存儲(chǔ)了盡可能多的能量時(shí)，電感器就會(huì)“飽和”。電流的任何進(jìn)一步增加都不會(huì)增加磁場強(qiáng)度，額外的功率會(huì)以熱量的形式消散

利用這些特性，電感器通常用于模擬濾波電路和管理開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的能量流。

隨著電路設(shè)計(jì)人員尋求將更多功能塞入越來越小的空間或增加功率密度，需要電感器在更小的元件尺寸內(nèi)提供高電感值。同時(shí)，為了避免功率損耗和效率降低，必須盡量減少不需要的寄生效應(yīng)，例如直流電阻 （DCR），并且參數(shù)應(yīng)在溫度變化和工作電流范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。磁芯材料性能的改進(jìn)使電感器制造商能夠滿足這些需求。

與任何工程挑戰(zhàn)一樣，優(yōu)化核心材料特性涉及妥協(xié)，在某些領(lǐng)域提高性能，同時(shí)在其他領(lǐng)域接受權(quán)衡。盡管開發(fā)了燒結(jié)金屬粉末磁芯等新磁芯材料技術(shù)，傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯仍具有吸引力。隨著制造商尋找新的方法來優(yōu)化器件特性并通過更精細(xì)的制造公差更嚴(yán)格地控??制參數(shù)，鐵氧體磁芯電感器也不斷發(fā)展和改進(jìn)。

目前，常用的兩種主要常規(guī)鐵氧體材料配方：鎳鋅（Ni-Zn）和錳鋅（Mn-Zn）。Ni-Zn鐵氧體傾向于具有更有利的磁芯電阻，而其他元件參數(shù)，包括與尺寸相關(guān)的飽和特性、熱性能和電感則不太有利。另一方面，Mn-Zn 磁芯允許高單位體積電感和高效率，而飽和特性、熱特性和磁芯電阻則不太強(qiáng)。

新的鐵氧體磁芯技術(shù)

為了顯著降低與錳鋅鐵氧體電感器相關(guān)的 DCR 和磁芯損耗，KEMET 創(chuàng)造了一種稱為組裝鐵氧體的新型電感器。如圖 1 所示，它們由一個(gè)兩部分磁芯和一個(gè)扁平線直接端子導(dǎo)體組成。這些器件結(jié)合了 Mn-Zn 電感器的高電感和效率優(yōu)勢，以及低 DCR 和低磁芯損耗。

這種結(jié)構(gòu)促成了垂直定向電感器的出現(xiàn)，例如窄至 6.0mm 的TPI 系列。這比同類傳統(tǒng)電感器小 2.0 毫米，在高功率應(yīng)用中顯著節(jié)省空間，例如 CPU 負(fù)載點(diǎn) （POL） 轉(zhuǎn)換器中的直流優(yōu)化，需要在 POL 和 CPU 引腳之間的區(qū)域中使用多個(gè)電感器。盡管靠近器件的空間變得極其有限，但將電感器放置在靠近引腳的位置是希望最大限度地減少直流線路損耗。四個(gè)窄 TPI 電感器可以在同一 PCB 區(qū)域內(nèi)代替三個(gè)傳統(tǒng)電感器。

金屬復(fù)合芯

另一方面，已經(jīng)開發(fā)出新的金屬復(fù)合磁芯材料，其提供比鐵氧體器件更好的飽和度和熱性能。金屬復(fù)合電感器的磁芯由鐵粉顆粒組成，鐵粉顆粒與粘合劑混合并壓制形成磁芯形狀。

此外，磁芯材料的高磁導(dǎo)率使電感器的 DCR 降低，因此在大電流下工作時(shí)自發(fā)熱更低。這既可以提高系統(tǒng)效率，又可以減少對散熱片等熱管理組件的依賴（表 1）。

表 1. 流行電感器核心技術(shù)的比較。

在比較錳鋅鐵氧體和金屬復(fù)合電感器的電感和飽和特性時(shí)，錳鋅鐵氧體顯示出更高的標(biāo)稱電感值。這通常在電流下是穩(wěn)定的，一旦達(dá)到飽和電流，電感就會(huì)急劇下降。在更高的溫度下，飽和電流也會(huì)顯著降低。金屬復(fù)合電感器雖然相對于組件尺寸顯示出較低的標(biāo)稱電感，但具有更加漸進(jìn)的飽和特性，并表現(xiàn)出更高的溫度穩(wěn)定性（圖 2）。

圖 2. 比較鐵氧體和金屬復(fù)合材料的飽和電流和溫度穩(wěn)定性。

KEMET 最近推出了一個(gè)新的METCOM 電感器系列，其中包含 100 多種器件，從 0.10μH 到 47.00μH，DCR 值低至 1.5mΩ。這些電感器的工作溫度范圍為 -55°C 至 +155°C，尺寸小至 5.3 毫米 x 5.00 毫米 x 2.0 毫米，使其適用于密集封裝的電源應(yīng)用，并能夠部署在從零以下深度到高溫的具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工業(yè)或汽車引擎蓋下的溫度。

而在典型的、已建立的電感器結(jié)構(gòu)中，線圈圍繞磁芯纏繞，而 METCOM 磁芯則圍繞線圈形成。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不導(dǎo)電的外層，該外層充當(dāng)屏蔽層以將磁通量包含在電感器體內(nèi)。結(jié)果，提高了操作效率。EMI 性能也得到了改善，從而最大限度地減少了對周圍電路的干擾。

滿足汽車溫度和空間限制

在很寬的工作溫度范圍內(nèi)具有出色的穩(wěn)定性，使 METCOM 電感器能夠在組件承受高溫的汽車應(yīng)用中提供出色的性能，例如暴露在陽光直射下的引擎蓋下或車內(nèi)位置。

另一方面，在需要高電感且空間限制非常嚴(yán)格的情況下，TPI 系列等鐵氧體電感器可以提供滿足重要電氣性能要求的節(jié)省空間的解決方案。

結(jié)論

直接端子組裝鐵氧體電感器的出現(xiàn)，以及受益于卓越飽和度和熱特性以及固有 EMI 屏蔽附加優(yōu)勢的金屬復(fù)合電感器的發(fā)展，已經(jīng)模糊了電感器磁芯技術(shù)之間的傳統(tǒng)界限。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在擁有比以往更多的選擇來應(yīng)對功率轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)，從注重效率和尺寸受限的計(jì)算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中尺寸受限和溫度敏感的應(yīng)用。