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有电容器的地方就有电感器

关键词:电容器 电感器

时间:2022-08-12 09:25:47      来源:嵌入式计算设计

在为给定应用选择最佳部件时,可以说电容器比其他无源元件类型更受关注。但是,在有电容器的地方通常会有电感器,因为电气系统通常需要利用电容器的静电特性以及电感器的电磁特性才能正常运行。

作者:Alex Nebel

在为给定应用选择最佳部件时,可以说电容器比其他无源元件类型更受关注。但是,在有电容器的地方通常会有电感器,因为电气系统通常需要利用电容器的静电特性以及电感器的电磁特性才能正常运行。

铁氧体磁芯和金属复合电感器的最新进展现在为设计人员提供了更多选择和更多功能,以优化其电路的性能、可靠性和成本。

电感基础知识

在最基本的形式中,电感器可以像线圈一样简单。通过在磁芯周围形成导线,可以使电感倍增。磁芯的材料特性对电感有很大影响,也可以设计形状以优化电感器的特性。

当在电感器上施加电压时,电流以取决于电压和电感值的速率上升。1-Henry (1H) 电感器上的 1V 电位会导致电流以每秒 1A 的速度增加。公式:V=L*di/dt 适用。

电感器具有重要的特性,工程师可以利用这些特性来管理能量和操纵信号。电感器的主要特性包括:

与电阻器不同,与感应电流相关的功率不会以热量的形式消散,而是存储在相关的磁场中。当电感电流中断时返回电路

电感行为与频率有关

当磁场存储了尽可能多的能量时,电感器就会“饱和”。电流的任何进一步增加都不会增加磁场强度,额外的功率会以热量的形式消散

利用这些特性,电感器通常用于模拟滤波电路和管理开关模式电源转换应用中的能量流。

随着电路设计人员寻求将更多功能塞入越来越小的空间或增加功率密度,需要电感器在更小的元件尺寸内提供高电感值。同时,为了避免功率损耗和效率降低,必须尽量减少不需要的寄生效应,例如直流电阻 (DCR),并且参数应在温度变化和工作电流范围内保持相对稳定。磁芯材料性能的改进使电感器制造商能够满足这些需求。

与任何工程挑战一样,优化核心材料特性涉及妥协,在某些领域提高性能,同时在其他领域接受权衡。尽管开发了烧结金属粉末磁芯等新磁芯材料技术,传统的铁氧体磁芯仍具有吸引力。随着制造商寻找新的方法来优化器件特性并通过更精细的制造公差更严格地控制参数,铁氧体磁芯电感器也不断发展和改进。

目前,常用的两种主要常规铁氧体材料配方:镍锌(Ni-Zn)和锰锌(Mn-Zn)。Ni-Zn铁氧体倾向于具有更有利的磁芯电阻,而其他元件参数,包括与尺寸相关的饱和特性、热性能和电感则不太有利。另一方面,Mn-Zn 磁芯允许高单位体积电感和高效率,而饱和特性、热特性和磁芯电阻则不太强。

新的铁氧体磁芯技术

为了显着降低与锰锌铁氧体电感器相关的 DCR 和磁芯损耗,KEMET 创造了一种称为组装铁氧体的新型电感器。如图 1 所示,它们由一个两部分磁芯和一个扁平线直接端子导体组成。这些器件结合了 Mn-Zn 电感器的高电感和效率优势,以及低 DCR 和低磁芯损耗。

这种结构促成了垂直定向电感器的出现,例如窄至 6.0mm 的TPI 系列。这比同类传统电感器小 2.0 毫米,在高功率应用中显着节省空间,例如 CPU 负载点 (POL) 转换器中的直流优化,需要在 POL 和 CPU 引脚之间的区域中使用多个电感器。尽管靠近器件的空间变得极其有限,但将电感器放置在靠近引脚的位置是希望最大限度地减少直流线路损耗。四个窄 TPI 电感器可以在同一 PCB 区域内代替三个传统电感器。


图 1. 组装好的铁氧体电感。

金属复合芯

另一方面,已经开发出新的金属复合磁芯材料,其提供比铁氧体器件更好的饱和度和热性能。金属复合电感器的磁芯由铁粉颗粒组成,铁粉颗粒与粘合剂混合并压制形成磁芯形状。

此外,磁芯材料的高磁导率使电感器的 DCR 降低,因此在大电流下工作时自发热更低。这既可以提高系统效率,又可以减少对散热片等热管理组件的依赖(表 1)。


表 1. 流行电感器核心技术的比较。

在比较锰锌铁氧体和金属复合电感器的电感和饱和特性时,锰锌铁氧体显示出更高的标称电感值。这通常在电流下是稳定的,一旦达到饱和电流,电感就会急剧下降。在更高的温度下,饱和电流也会显着降低。金属复合电感器虽然相对于组件尺寸显示出较低的标称电感,但具有更加渐进的饱和特性,并表现出更高的温度稳定性(图 2)。


图 2. 比较铁氧体和金属复合材料的饱和电流和温度稳定性。

KEMET 最近推出了一个新的METCOM 电感器系列,其中包含 100 多种器件,从 0.10µH 到 47.00µH,DCR 值低至 1.5mΩ。这些电感器的工作温度范围为 -55°C 至 +155°C,尺寸小至 5.3 毫米 x 5.00 毫米 x 2.0 毫米,使其适用于密集封装的电源应用,并能够部署在从零以下深度到高温的具有挑战性的环境中工业或汽车引擎盖下的温度。

而在典型的、已建立的电感器结构中,线圈围绕磁芯缠绕,而 METCOM 磁芯则围绕线圈形成(图 3)。这会产生一个不导电的外层,该外层充当屏蔽层以将磁通量包含在电感器体内。结果,提高了操作效率。EMI 性能也得到了改善,从而最大限度地减少了对周围电路的干扰。


图 3. METCOM 电感器结构。

满足汽车温度和空间限制

在很宽的工作温度范围内具有出色的稳定性,这使 METCOM 电感器能够在组件受到高温的汽车应用中提供出色的性能,例如暴露在阳光直射下的引擎盖下或车内位置。

另一方面,在需要高电感且空间限制非常严格的情况下,TPI 系列等铁氧体电感器可以提供满足重要电气性能要求的节省空间的解决方案。

结论

直接端子组装铁氧体电感器的出现,以及受益于卓越饱和度和热特性以及固有 EMI 屏蔽附加优势的金属复合电感器的发展,已经模糊了电感器磁芯技术之间的传统界限。设计人员现在拥有比以往更多的选择来应对功率转换挑战,从注重效率和尺寸受限的计算和数据中心应用到汽车领域中尺寸受限和温度敏感的应用。

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