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(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元器件。由于具有能量?jī)?chǔ)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(yīng)用趨向于更小、更緊湊的設(shè)計(jì)，而且必須不斷提高能效，設(shè)計(jì)人員在挑選電感器時(shí)需要更加審慎，才能順應(yīng)趨勢(shì)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(shè)計(jì)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(shí)還能保留傳統(tǒng)電感器的所有優(yōu)點(diǎn)，并增強(qiáng)電磁干擾 (EMI) 屏蔽、提高功率密度、降低磁芯損耗。

本文先簡(jiǎn)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(yīng)用。

電感器和電感

電感器是雙端無(wú)源元器件，以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存和回收能量。其外形通常是纏繞在線圈上的絕緣導(dǎo)線。當(dāng)向電感器施加電流時(shí)，線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生與該電流成正比的磁場(chǎng)。如果施加的電流發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) (EMF)。感應(yīng)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(yīng)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(guò)增加線圈匝數(shù)、加大橫截面、縮短線圈長(zhǎng)度或使用磁導(dǎo)率更高的磁芯來(lái)增加電感(圖 1)。

圖 1：決定線圈電感的因素。(圖片來(lái)源：Abracon)

磁導(dǎo)率是一種磁性特征，磁芯材料的磁導(dǎo)率越高，產(chǎn)生的磁通密度就越大，從而可以儲(chǔ)存更多能量。因此，電感也與電感器磁芯材料的磁導(dǎo)率成正比。高磁導(dǎo)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(shí)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(jié)合在一起，形成一種高磁導(dǎo)率的磁芯材料。粉末磁芯使用磁性金屬粉末與粘結(jié)劑和涂層混合而成。金屬和粘結(jié)劑的選擇，甚至混合物中的氣泡含量，都會(huì)影響最終磁芯材料的磁導(dǎo)率。

電感器規(guī)格

功率應(yīng)用中使用的電感器有幾個(gè)關(guān)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(shí)也稱為線圈損耗，是直流電源電感器的實(shí)測(cè)電阻。由于導(dǎo)線的長(zhǎng)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(dǎo)損耗。大多數(shù)情況下，DCR 會(huì)被指定為最大額定值。

隨著通過(guò)電感器的電流增大，磁場(chǎng)也會(huì)成比例增強(qiáng)，直至達(dá)到飽和狀態(tài);此時(shí)，磁導(dǎo)率開(kāi)始下降。電流增大超過(guò)此極限值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電感下降。飽和電流是指電阻導(dǎo)致標(biāo)稱電感值下降特定數(shù)值時(shí)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(shí)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(shí)的頻率。此時(shí)，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(yīng)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(shù)將電感器線圈包裹封裝起來(lái)。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(dǎo)體的線圈外圍的模具中。模壓復(fù)合物，通常是金屬粉末和粘結(jié)劑，確定電感器磁芯的磁導(dǎo)率。與鐵氧體填料相比，金屬粉末填料的飽和響應(yīng)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(yán)苛環(huán)境的固體元器件，具有防潮、防塵、防沖擊和防振動(dòng)特性。因?yàn)闆](méi)有層壓磁芯，模制電感器不會(huì)發(fā)出噪聲。簡(jiǎn)單的一體式結(jié)構(gòu)具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)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(diǎn)。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(dǎo)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(gè)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(dòng)等環(huán)境因素的影響。(圖片來(lái)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(yīng)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(dǎo)損耗，同時(shí)提供出色的 EMI 屏蔽。當(dāng)今世界對(duì)外形越來(lái)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(yīng)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(yīng)用包括電源去耦、濾波和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。(圖片來(lái)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(jié)合電容器的互補(bǔ)阻抗特性，來(lái)衰減高頻信號(hào)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(hào)路徑的頻率響應(yīng)，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(wú)需有源器件的低功耗器件提供無(wú)源頻率選擇性響應(yīng)。

電感器是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的主要儲(chǔ)能元件。這些器件能在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)釋放能量。