Miniaturní lisované induktory spoří místo, snižují ztráty a zvyšují integritu a účinnost výkonu

Induktory jsou klíčovou součástí v návrzích měničů napětí a regulátorů. Vzhledem k jejich roli uchovávání a rekuperace energie jsou téměř v každém obvodu, který reguluje výkon. Vzhledem k tomu, že aplikace směřují k menším a kompaktnějším konstrukcím, které musí být stále energeticky účinnější, musí být konstruktéři při výběru induktoru náročnější, aby se těmto trendům přizpůsobili a aby induktory zároveň zvládaly vyšší proudy.

Snížení ztrát výkonu a zvýšení účinnosti závisí do značné míry na konstrukci induktoru a materiálu jádra. Například použití miniaturních lisovaných induktorů snižuje objem induktorů a zároveň přináší všechny výhody konvenčnějších induktorů spolu s větším stíněním proti elektromagnetickému rušení („electromagnetic interference“, EMI), vyšší hustotou výkonu a nižšími ztrátami v jádře.

V tomto článku jsou stručně popsány induktory a indukčnost. Poté jsou zde představeny miniaturní lisované induktory od společnosti Abracon LLC a pojednáno o jejich výběru a aplikaci.

Induktory a indukčnost

Induktory jsou dvoupólové pasivní součástky, které uchovávají a rekuperují energii ve formě magnetického pole. Obvykle mají formu izolovaného drátu navinutého na cívce. Proud přiváděný na induktor vytváří v cívce magnetické pole úměrné tomuto proudu. Pokud se přiváděný proud změní, vytvoří se časově proměnné magnetické pole, které ve vodiči indukuje napětí zdroje (elektromotorickou sílu; „electromotive force“, EMF). Indukované napětí má polaritu, která je opačná než změna proudu, která ho vytvořila. Induktory jsou charakterizovány svou indukčností, což je poměr indukovaného napětí k rychlosti změny proudu. Henry (H) je jednotka indukčnosti, kterou lze zvýšit vytvořením cívky s větším počtem závitů, sestrojením většího průřezu, zmenšením délky cívky nebo použitím jádra z materiálu s vyšší permeabilitou (obrázek 1).

Obrázek 1: Faktory, které určují indukčnost cívky. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

Permeabilita je magnetická charakteristika a materiály jádra s vyšší permeabilitou generují vyšší hustotu magnetického toku, což umožňuje akumulovat více energie. Proto je indukčnost také úměrná permeabilitě materiálu jádra induktoru. Vysoce permeabilní jádro může snížit velikost a hmotnost induktoru, aniž by se snížila hodnota indukčnosti, což vede k menšímu a lehčímu celkovému pouzdru.

Mezi materiály jádra patří vzduch, železo, ocel, železný prášek, kovový prášek, keramika a ferit. Ferity jsou keramické materiály kombinované s práškovým oxidem železa anebo jinými práškovými kovy, které poskytují materiál jádra s vysokou permeabilitou. Prášková jádra používají práškové magnetické kovy smíchané s pojivem a povlakem. Permeabilitu výsledného materiálu jádra určuje výběr kovu, pojiva a dokonce i zahrnutí vzduchových bublin do směsi.

Specifikace induktorů

Kriticky důležitými specifikacemi pro induktory používané ve výkonových aplikacích jsou indukčnost, stejnosměrný odpor („direct current resistance“, DCR), saturační proud, proud nárůstu teploty, jmenovitý proud, vlastní rezonanční frekvence („self-resonant frequency“, SRF) a činitel kvality („quality factor“, Q).

DCR, někdy nazývaný ztráta ve vedení, je měřený odpor induktoru pro stejnosměrný zdroj. DCR se mění úměrně indukčnosti v důsledku délky a plochy průřezu vodiče. Výkonové induktory mají obecně DCR v řádu desítek miliohmů, aby byly zajištěny nízké ztráty ve vedení. Ve většině případů se DCR udává jako maximální jmenovitá hodnota.

S rostoucím proudem procházejícím induktorem se úměrně zvětšuje magnetické pole, dokud nedosáhne saturace. V tomto okamžiku začíná permeabilita klesat. Zvýšení proudu za tento bod způsobí pokles indukčnosti. Saturační proud je proud, při kterém odpor klesne o určitou hodnotu jmenovité indukčnosti. U výkonových induktorů se obvykle jako mezní hodnota používá snížení o 10 až 30 %.

Proud nárůstu teploty je specifikován jako úroveň stejnosměrného proudu, kdy se teplota pouzdra induktoru zvýší o 40 °C.

Jmenovitý proud je specifikován jako nižší hodnota saturačního proudu nebo proudu nárůstu teploty, což umožňuje induktoru pracovat pod menší z těchto dvou mezí.

SRF je frekvence, při které je reaktance parazitní kapacity induktoru rovna reaktanci. V tomto bodě funguje induktor jako paralelní rezonanční obvod. Čistá reaktance je nulová a impedance je extrémně vysoká a zcela odporová. Induktory jsou ve výkonových aplikacích obecně provozovány pod jejich SRF.

Q induktoru je mírou jeho účinnosti a je poměrem jeho induktivní reaktance k jeho odporu při dané frekvenci. Vyšší Q znamená nižší ztráty a tím více se chování induktoru blíží chování ideálního induktoru.

Lisované výkonové induktory

Lisované výkonové induktory jsou zařízení pro povrchovou montáž („surface mount devices“, SMD), která využívají technologii lisování k obklopení a zapouzdření cívky induktoru. Na rozdíl od tradičních induktorů vinutých drátem je magnetický práškový materiál lisovaného induktoru vtlačen do formy kolem drátové cívky obklopující vodiče. Formovací směs, obvykle práškový kov a pojivo, nastavuje permeabilitu jádra induktoru. Kovová prášková výplň nabízí měkčí saturační odezvu než feritové výplně. Poskytuje také vysoce účinné magnetické stínění, což má za následek nízký únik magnetického toku. Lisovaný induktor je pevná součástka vhodná do náročných prostředí, která je chráněna před vlhkostí, prachem, nárazy a vibracemi. Lisovaný induktor nevydává akustický hluk, protože nemá laminované jádro. Jednoduchá konstrukce z jednoho kusu nabízí vynikající mechanickou stabilitu a je kompaktní a lehká.

Miniaturní lisované induktory společnosti Abracon nabízejí všechny výhody lisovaných induktorů v malém pouzdru o rozměrech do 3 milimetrů. Kromě kompaktních rozměrů mají miniaturní lisované induktory vysokou hustotu výkonu, nízké ztráty v jádře a vedení a vynikající stínění proti EMI.

Miniaturní lisované induktory řad AOTA-B1412 a AOTA-B2012 se nabízejí s rozsahem indukčnosti od 0,11 do 2,2 µH a mají rozměry pouzdra od 1,4 mm × 1,2 mm (0,055 palce × 0,047 palce) do 2,0 mm × 1,2 mm (0,079 palce × 0,047 palce) s maximální výškou pouhých 0,65 mm (0,026 palce). Tyto induktory zvládají jmenovité proudy od 1,9 do 6,4 A a jsou dimenzovány pro provoz v teplotním rozsahu −40 °C až +125 °C.

Příkladem z řady AOTA-B2012 je miniaturní lisovaný induktor AOTA-B201208SR11MT společnosti Abracon, 0,11 µH SMD se jmenovitým proudem 5,6 A a saturačním proudem 10 A (obrázek 2). Má DCR 13 mΩ a SRF 185 MHz. Je uložen v pouzdře o rozměrech 2,0 mm × 1,2 mm (0,079 palce × 0,047 palce) s výškou osazení 0,8 mm (0,031 palce).

Obrázek 2: Model AOTA-B201208SR11MT je typický miniaturní lisovaný induktor společnosti Abracon v pouzdru SMD menším než 3 mm, které chrání před vlivy prostředí, jako je vlhkost, prach, nárazy a vibrace. (Zdroj obrázku: společnost Abracon)

V horní části rozsahu indukčnosti řady AOTA-B2012 společnosti Abracon je induktor AOTA-B201208S2R2MT s indukčností 2,2 µH, jmenovitým proudem 1,8 A, DCR 130 mΩ a SRF 42 MHz. Vyšší indukčnost vyžaduje větší počet závitů, což zvyšuje DCR a snižuje jmenovitý proud a SRF ve srovnání s modelem AOTA-B201208SR11MT. Rozměry pouzdra jsou stejné jako u modelu AOTA-B201208SR11MT – 2,00 mm × 1,20 mm (0,079 palce × 0,047 palce) s výškou 0,8 mm (0,031 palce).

Příklady řady AOTA-B1412 společnosti Abracon jsou modely AOTA-B141206SR33MT a AOTA-B141206SR47MT. Tyto miniaturní lisované induktory mají nejmenší pouzdro s rozměry 1,4 mm × 1,2 mm (0,055 palce × 0,047 palce) a výškou pouzdra pouze 0,65 mm (0,026 palce). Induktor AOTA-B141206SR33MT má indukčnost 0,33 µH, jmenovitý proud 3,5 A, DCR 32 mΩ a SRF 120 MHz. Induktor AOTA-B141206SR47MT má indukčnost 0,47 µH, jmenovitý proud 2,9 A, DCR 41 mΩ a SRF 115 MHz.

Aplikace pro miniaturní lisované induktory

Navzdory své malé velikosti zvládají miniaturní lisované induktory společnosti Abracon značný výkon s nízkými ztrátami v jádře a ve vedení a zároveň nabízejí vynikající stínění proti EMI. Tyto vlastnosti z nich činí ideální volbu pro uspokojení nebývalé poptávky po výkonových měničích ve stále menších provedeních.

Mezi typické aplikace pro tyto součástky patří oddělování výkonu, filtrování a DC/DC měniče (obrázek 3).

Obrázek 3: Mezi typické aplikace miniaturních lisovaných induktorů společnosti Abracon patří oddělování výkonu, filtrování a DC/DC měniče. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Oddělování integrovaných obvodů od napájecí sběrnice využívá frekvenčně proměnnou impedanci induktoru kombinovanou s doplňkovou impedanční charakteristikou kondenzátoru k potlačení vysokofrekvenčních signálů a šumu a jejich izolaci od napájecích vstupů integrovaných obvodů. Důležitými vlastnostmi induktoru jsou nízký DCR a vysoká SRF.

Filtry řídí frekvenční odezvu signálové cesty a mohou být konfigurovány jako nízkofrekvenční, vysokofrekvenční, pásmová propust nebo pásmová zádrž. Induktorové kondenzátorové („inductor-capacitor“, LC) filtry poskytují pasivní frekvenčně selektivní odezvy pro zařízení s nízkou spotřebou energie, která nevyžadují aktivní zařízení.

Induktory jsou primárním prvkem pro uchovávání energie v DC/DC měničích. Ukládají energii, když je spínač sepnutý, a získávají ji zpět, když se rozepne.

Závěr

Miniaturní lisované induktory společnosti Abracon nabízejí výhody lisovaných induktorů v kompaktním pouzdru menším než 3 milimetry. Navzdory své malé velikosti dokážou zvládat značné výkony s nízkými ztrátami v jádře a vedení, což v malých elektronických zařízeních zajišťuje vynikající integritu výkonu.