微型電感器：省空間、降損耗，提升電源效率

電感器是電壓轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器設計中的關鍵元器件。由于具有能量儲存和回收作用，因此幾乎所有調(diào)節(jié)功率的電路中都有這些器件的身影。隨著應用趨向于更小、更緊湊的設計，而且必須不斷提高能效，設計人員在挑選電感器時需要更加審慎，才能順應趨勢并處理更大的電流。

降低功率損耗和提高效率在很大程度上依賴于電感器的設計和磁芯材料。例如，使用微型模制電感器可減少電感器體積，同時還能保留傳統(tǒng)電感器的所有優(yōu)點，并增強電磁干擾 (EMI) 屏蔽、提高功率密度、降低磁芯損耗。

本文先簡要介紹電感器和電感。接著介紹 Abracon LLC 的微型模制電感器，并討論其選型和應用。

電感器和電感

電感器是雙端無源元器件，以磁場的形式儲存和回收能量。其外形通常是纏繞在線圈上的絕緣導線。當向電感器施加電流時，線圈內(nèi)會產(chǎn)生與該電流成正比的磁場。如果施加的電流發(fā)生變化，就會產(chǎn)生時變磁場，該磁場會在導體中產(chǎn)生電動勢 (EMF)。感應電壓的極性與產(chǎn)生該電壓的電流變化相反。電感器的特性在于其電感值，即感應電壓與電流變化速率的比值。電感的單位是亨利 (H)，可以通過增加線圈匝數(shù)、加大橫截面、縮短線圈長度或使用磁導率更高的磁芯來增加電感(圖 1)。

圖 1：決定線圈電感的因素。(圖片來源：Abracon)

磁導率是一種磁性特征，磁芯材料的磁導率越高，產(chǎn)生的磁通密度就越大，從而可以儲存更多能量。因此，電感也與電感器磁芯材料的磁導率成正比。高磁導率磁芯可以在不降低電感值的情況下減小電感器的尺寸和重量，實現(xiàn)更小更輕的整體封裝。

磁芯材料包括空氣、鐵、鋼、鐵粉、金屬粉末、陶瓷和鐵氧體。鐵氧體是陶瓷材料，與氧化鐵粉末和/或其他金屬粉末結合在一起，形成一種高磁導率的磁芯材料。粉末磁芯使用磁性金屬粉末與粘結劑和涂層混合而成。金屬和粘結劑的選擇，甚至混合物中的氣泡含量，都會影響最終磁芯材料的磁導率。

電感器規(guī)格

功率應用中使用的電感器有幾個關鍵規(guī)格，包括電感、直流電阻 (DCR)、飽和電流、溫升電流、額定電流、自諧振頻率 (SRF) 和品質(zhì)因數(shù) (Q)。

DCR 有時也稱為線圈損耗，是直流電源電感器的實測電阻。由于導線的長度和橫截面積不同，DCR 的變化與電感成正比。功率電感器的 DCR 通常為幾十 mΩ，以確保較低的傳導損耗。大多數(shù)情況下，DCR 會被指定為最大額定值。

隨著通過電感器的電流增大，磁場也會成比例增強，直至達到飽和狀態(tài);此時，磁導率開始下降。電流增大超過此極限值時，會導致電感下降。飽和電流是指電阻導致標稱電感值下降特定數(shù)值時的電流。功率電感器通常采用電感值下降 10% 至 30% 作為規(guī)格限值。

溫升電流是指電感器外殼溫度上升 40°C 時的直流電流。

額定電流規(guī)定為飽和電流或溫升電流中的較低值，使電感器能在低于兩限值中較低者的情況下工作。

SRF 是指電感器寄生電容的電抗等于感抗時的頻率。此時，電感器作為并聯(lián)諧振電路工作。凈電抗為零，阻抗極高且完全是電阻阻抗。在功率應用中，電感器的工作頻率通常低于其 SRF。

電感器的 Q 值是其效率的量度，是給定頻率下其感抗與電阻的比值。Q 值越高，損耗越低，電感器的行為越接近理想電感器。

模制功率電感器

模制功率電感器是表面貼裝器件 (SMD)，利用模壓技術將電感器線圈包裹封裝起來。有別于傳統(tǒng)繞線式電感器，模制電感器的磁粉材料被壓入圍繞導體的線圈外圍的模具中。模壓復合物，通常是金屬粉末和粘結劑，確定電感器磁芯的磁導率。與鐵氧體填料相比，金屬粉末填料的飽和響應更柔和。其還能提供高效的磁屏蔽，從而減少磁通泄漏。模制電感器是適用于嚴苛環(huán)境的固體元器件，具有防潮、防塵、防沖擊和防振動特性。因為沒有層壓磁芯，模制電感器不會發(fā)出噪聲。簡單的一體式結構具有出色的機械穩(wěn)定性，而且結構緊湊、重量輕。

Abracon 的微型模制電感器采用 3 mm 以下的小型封裝，提供模制電感器的所有優(yōu)點。除了體型小巧外，微型模制電感器還具有高功率密度、低磁芯和傳導損耗以及出色的 EMI 屏蔽等特性。

AOTA-B1412 和 AOTA-B2012 系列微型模制電感器的電感范圍為 0.11 至 2.2 μH，封裝尺寸為 1.4 x 1.2 mm(0.055 x 0.047 英寸)至 2.0 x 1.2 mm(0.079 x 0.047 英寸)，最大高度低至 0.65 mm(0.026 英寸)。這些電感器可處理 1.9 至 6.4 A 的額定電流，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

AOTA-B2012 系列中的一個范例是 Abracon AOTA-B201208SR11MT，這是一款 0.11 μH 的 SMD 微型模制電感器，額定電流為 5.6 A，飽和電流為 10 A(圖 2)。其 DCR 為 13 mΩ，SRF 為 185 MHz。該器件采用 2.0 mm x 1.2 mm(0.079 英寸 x 0.047 英寸)封裝，安裝高度為 0.8 mm(0.031 英寸)。

圖 2：AOTA-B201208SR11MT 是典型的 Abracon 微型模制電感器，采用 3 mm 以下 SMD 封裝，可防止潮濕、灰塵、沖擊和振動等環(huán)境因素的影響。(圖片來源：Abracon)

AOTA-B201208S2R2MT 是 Abracon AOTA-B2012 系列中電感值較高的產(chǎn)品，電感值為 2.2 μH，額定電流為 1.8 A，DCR 為 130 mΩ，SRF 為 42 MHz。更高的電感需要更多的匝數(shù)，與 AOTA-B201208SR11MT 相比，增加了 DCR 并降低了額定電流和 SRF。封裝尺寸與 AOTA-B201208SR11MT 相同，為 2.00 mm x 1.20 mm(0.079 英寸 x 0.047 英寸)，高度為 0.8 mm(0.031 英寸)。

Abracon AOTA-B1412 系列的范例包括 AOTA-B141206SR33MT 和 AOTA-B141206SR47MT。這些微型模制電感器采用最小的封裝，尺寸為 1.4 mm x 1.2 mm(0.055 英寸 x 0.047 英寸)，封裝高度僅為 0.65 mm(0.026 英寸)。AOTA-B141206SR33MT 的電感為 0.33 μH，額定電流為 3.5 A，DCR 為 32 mΩ，SRF 為 120 MHz。AOTA-B141206SR47MT 的電感為 0.47 μH，額定電流為 2.9 A，DCR 為 41 mΩ，SRF 為 115 MHz。

微型模制電感器的應用

盡管外形小巧，但 Abracon 微型模制電感器卻能處理大功率，并具有較低的磁芯和傳導損耗，同時提供出色的 EMI 屏蔽。當今世界對外形越來越小的電源轉(zhuǎn)換器的需求空前，而這些特性使微型模制電感器成為滿足這些需求的理想之選。

這些元器件的典型應用包括電源去耦、濾波和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(圖 3)。

圖 3：Abracon 微型模制電感器的典型應用包括電源去耦、濾波和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。(圖片來源：Art Pini)

電源總線中的去耦集成電路，利用電感器的頻率可變阻抗結合電容器的互補阻抗特性，來衰減高頻信號和噪聲，從而使其與集成電路電源輸入相隔離。低 DCR 和高 SRF 是重要的電感器特性。

濾波器控制信號路徑的頻率響應，并可配置為低通、高通、帶通或帶阻。電感器-電容器 (LC) 濾波器為無需有源器件的低功耗器件提供無源頻率選擇性響應。

電感器是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的主要儲能元件。這些器件能在開關閉合時儲存能量，在開關打開時釋放能量。