在為給定應(yīng)用選擇最佳部件時(shí)，可以說(shuō)電容器比其他無(wú)源元件類(lèi)型更受關(guān)注。但是，在有電容器的地方通常會(huì)有電感器，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?gòu)?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?xún)?yōu)化其電路的性能、可靠性和成本。

電感基礎(chǔ)知識(shí)

在最基本的形式中，電感器可以像線(xiàn)圈一樣簡(jiǎn)單。通過(guò)在磁芯周?chē)纬蓪?dǎo)線(xiàn)，可以使電感倍增。磁芯的材料特性對(duì)電感有很大影響，也可以設(shè)計(jì)形狀以?xún)?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(lái)管理能量和操縱信號(hào)。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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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(lái)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(duì)穩(wěn)定。磁芯材料性能的改進(jìn)使電感器制造商能夠滿(mǎn)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(kāi)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(lái)優(yōu)化器件特性并通過(guò)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(chēng)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(xiàn)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(shì)，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(lèi)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(xiàn)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。

圖 1. 組裝好的鐵氧體電感。

金屬?gòu)?fù)合芯

另一方面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的金屬?gòu)?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?gòu)?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(duì)散熱片等熱管理組件的依賴(lài)（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?gòu)?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(chēng)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?gòu)?fù)合電感器雖然相對(duì)于組件尺寸顯示出較低的標(biāo)稱(chēng)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?gòu)?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(chē)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(xiàn)圈圍繞磁芯纏繞，而 METCOM 磁芯則圍繞線(xiàn)圈形成（圖 3）。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(duì)周?chē)娐返母蓴_。

圖 3. METCOM 電感器結(jié)構(gòu)。

滿(mǎn)足汽車(chē)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，這使 METCOM 電感器能夠在組件受到高溫的汽車(chē)應(yīng)用中提供出色的性能，例如暴露在陽(yáng)光直射下的引擎蓋下或車(chē)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(mǎn)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(shì)的金屬?gòu)?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(lái)應(yīng)對(duì)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(chē)領(lǐng)域中尺寸受限和溫度敏感的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷