Använd kapslade induktorer för att spara utrymme, minska förluster och förbättra effektintegriteten och verkningsgraden

Induktorer är viktiga komponenter i konstruktioner med spänningsomvandlare och regulatorer. Tack vare sina egenskaper för energilagring och energiåtervinning finns de i nästan alla kretsar som reglerar ström. I takt med att tillämpningarna utvecklas mot mindre och mer kompakta konstruktioner som måste vara alltmer strömsnåla, måste konstruktörer vara mer kräsna när det gäller valet av induktorer för att kunna möta trenderna och samtidigt hantera högre strömmar.

Minskning av effektförluster och förbättrad verkningsgrad beror i hög grad på induktorns konstruktion och kärnmaterial. Användningen av små kapslade induktorer minskar till exempel induktorns volym, samtidigt som de har alla fördelar som mer konventionella induktorer har, samt bättre avskärmning mot elektromagnetiska störningar (EMI), högre effekttäthet och lägre kärnförluster.

Artikeln beskriver kortfattat induktorer och induktans. Därefter presenteras små kapslade induktorer från Abracon LLC och val och tillämpning av dessa diskuteras.

Induktorer och induktans

Induktorer är passiva komponenter med två anslutningar som lagrar och återvinner energi i form av ett magnetfält. De är i allmänhet konstruerade med en isolerad tråd som lindats upp på en spole. En ström som matas till induktorn skapar ett magnetfält som är proportionell mot strömmen i spolen. Om den tillförda strömmen ändras skapas ett tidsvarierande magnetfält som inducerar en elektromotorisk kraft (EMF) i ledaren. Den inducerade spänningen har en polaritet som motverkar förändringen i den ström som skapade den. Induktorer kännetecknas av sin induktans, som är förhållandet mellan den inducerade spänningen och förändringar i ström. Henry (H) är enheten för induktans. Denna kan ökas genom att skapa en spole med fler varv, bygga med ett större tvärsnitt, minska spolens längd eller använda en kärna tillverkad av ett material med högre permeabilitet (figur 1).

Figur 1: Här visas de faktorer som bestämmer induktansen hos en spole. (Bildkälla: Abracon)

Permeabilitet är en magnetisk egenskap och kärnmaterial med högre permeabilitet genererar en högre densitet av magnetiskt flöde, vilket gör att mer energi kan lagras. Induktansen är därför även proportionell mot permeabiliteten hos induktorns kärnmaterial. En kärna med hög permeabilitet kan minska induktorns storlek och vikt utan att minska induktansvärdet, vilket resulterar i en mindre och lättare kapsling.

Bland kärnmaterialen finns luft, järn, stål, järnpulver, metallpulver, keramik och ferrit. Ferriter är keramiska material som kombineras med pulveriserad järnoxid och/eller andra pulvriserade metaller för att skapa ett kärnmaterial med hög permeabilitet. I kärnor med pulver används pulveriserade magnetiska metaller som blandas med ett bindemedel och en beläggning. Valet av metall, bindemedel och till och med luftbubblor i blandningen avgör hur hög permeabilitet det resulterande kärnmaterialet erhåller.

Specifikationer för induktorn

De viktigaste specifikationerna för induktorer som används i effekttillämpningar är induktans, likströmsresistans (DCR), mättnadsström, ström vid temperaturhöjning, märkström, egenfrekvens (SRF) och kvalitetsfaktor (Q).

Likströmsresistans är den uppmätta resistansen hos en induktor för en likströmskälla. Likströmsresistansen varierar i proportion till induktansen beroende på trådens längd och tvärsnittsarea. Effektinduktorer har i allmänhet en likströmsresistans på tiotals milliohm (mΩ) för att garantera låga ledningsförluster. I de flesta fall anges likströmsresistans som ett maximalt värde.

När strömmen genom en induktor ökar, ökar magnetfältet proportionellt tills det når mättnad. Vid denna punkt börjar permeabiliteten minska. En ökning av ström bortom denna punkt gör att induktansen sjunker. Mättnadsström är den ström där resistansen sjunker med en viss mängd av den nominella induktansen. För effektinduktorer används vanligtvis en specifikationsgräns på mellan 10 och 30 % minskning.

Ström vid temperaturhöjning är specificerad som den likströmsnivå där temperaturen för induktorns hölje ökar med 40 °C.

Märkströmmen anges som det lägre värdet av mättnadsströmmen eller som ström vid temperaturhöjning, vilket gör att en induktor kan arbeta under den lägsta av de två gränserna.

Egenfrekvens är den frekvens vid vilken reaktansen hos en induktors parasitära kapacitans är lika med reaktansen. Vid denna punkt fungerar en induktor som en parallell resonanskrets. Nettoreaktansen är noll och impedansen är mycket hög och helt resistiv. Induktorer i effekttillämpningar används i allmänhet under sin egenfrekvens.

En induktors kvalitetsfaktor är ett mått på dess verkningsgrad och är förhållandet mellan induktiv reaktans och resistans vid en given frekvens. Ett högre värde för kvalitetsfaktorn innebär lägre förluster och hur nära en induktans beteende återspeglar beteendet hos en idealisk induktor.

Kapslade effektinduktorer

Kapslade effektinduktorer är ytmonterade enheter som använder en kapslingsteknik för att omge och kapsla in induktorns spole. Till skillnad från traditionella trådlindade induktorer pressas det magnetiska pulvermaterialet i en kapslad induktor in i en form runt en trådspole som omger ledarna. Kapslingsmaterialet, vanligtvis ett metallpulver och ett bindemedel, bestämmer induktorkärnans permeabilitet. Fyllningen av metallpulver ger en mjukare mättnadsrespons än ferritfyllningar. Den har även en mycket effektiv magnetisk avskärmning, vilket resulterar i ett lågt magnetiskt flödesläckage. En kapslad induktor är en tät komponent som lämpar sig för tuffa miljöer och skyddar mot fukt, damm, stötar och vibrationer. En kapslad induktor avger inga akustiska störningar eftersom den inte har någon laminerad kärna. Den enkla konstruktionen i ett stycke ger utmärkt mekanisk stabilitet och är liten och lätt.

Små kapslade induktorer från Abracon har alla fördelar som kapslade induktorer har, i en kapsling som är mindre än 3 mm. Förutom sin ringa storlek har små kapslade induktorer hög effekttäthet, låga kärn- och ledningsförluster och utmärkt skärmning mot elektromagnetiska störningar.

Serierna AOTA-B1412 och AOTA-B2012 av små kapslade induktorer finns med ett induktansområde från 0,11 till 2,2 µH och har kapslingsstorlekar från 1,4 x 1,2 mm till 2,0 x 1,2 mm med en maximal höjd ända ned till 0,65 mm. Induktorerna klarar märkströmmar från 1,9 till 6,4 A och är avsedda att arbeta i ett temperaturområde från -40 till +125 °C.

Ett exempel från serien AOTA-B2012 är AOTA-B201208SR11MT från Abracon, en ytmonterad liten kapslad induktor på 0,11 µH med en märkström på 5,6 A och en mättnadsström på 10 A (figur 2). Den har en likströmsresistans på 13 mΩ och en egenfrekvens på 185 MHz. Den är monterad i en kapsling med måtten 2 x 1,2 mm och har en monteringshöjd på 0,8 mm.

Figur 2: AOTA-B201208SR11MT är en typisk liten kapslad ytmonterad induktor på mindre än 3 mm från Abracon som skyddar mot miljöfaktorer som t.ex. fukt, damm, stötar och vibrationer. (Bildkälla: Abracon)

I det övre induktansområdet i serien AOTA-B2012 från Abracon finns AOTA-B201208S2R2MT med en induktans på 2,2 µH, en märkström på 1,8 A, en likströmsresistans på 130 mΩ och en egenfrekvens på 42 MHz. Den högre induktansen kräver ett större antal varv, vilket ökar likströmsresistansen och minskar märkströmmen och egenfrekvensen jämfört med AOTA-B201208SR11MT. Kapslingen har samma mått som AOTA-B201208SR11MT, 2 x 1,2 mm med en höjd på 0,8 mm.

Exempel ur serien AOTA-B1412 från Abracon är AOTA-B141206SR33MT och AOTA-B141206SR47MT. Dessa små kapslade induktorer är de minsta med måtten 1,4 x 1,2 mm och en kapslingshöjd på endast 0,65 mm. AOTA-B141206SR33MT har en induktans på 0,33 µH, en märkström på 3,5 A, en likströmsresistans på 32 mΩ och en egenfrekvens på 120 MHz. AOTA-B141206SR47MT har en induktans på 0,47 µH, en märkström på 2,9 A, en likströmsresistans på 41 mΩ och en egenfrekvens på 115 MHz.

Tillämpningar med små kapslade induktorer

Trots sin lilla storlek hanterar de små kapslade induktorerna från Abracon höga effekter med låga kärn- och ledningsförluster samtidigt som de har överlägsen skärmning mot elektromagnetiska störningar. Egenskaperna gör dem till perfekta val för att möta den aldrig tidigare skådade efterfrågan på effektomvandlare i allt mindre format.

Typiska användningsområden för komponenterna är effektavkoppling, filtrering och DC/DC-omvandlare (figur 3).

Figur 3: Typiska tillämpningar för små kapslade induktorer från Abracon är effektavkoppling, filtrering och DC/DC-omvandlare. (Bildkälla: Art Pini)

Vid avkoppling av integrerade kretsar på effektbussen utnyttjas induktorns impedans med variabel frekvens i kombination med kondensatorns kompletterande egenskaper för impedans för att dämpa signaler med höga frekvenser och brus och isolera dessa från de integrerade kretsarnas effektingångar. Låg likströmsresistans och hög egenfrekvens är viktiga egenskaper hos induktorn.

Filter styr frekvenssvaret för signalvägen och kan konfigureras som lågpass-, högpass-, bandpass- eller bandstoppfilter. Filter med induktor-kondensator (LC) ger passiva svar på valda frekvenser för apparater med låg effekt som inte kräver aktiva enheter.

Induktorer är det primära energilagringselementet i DC/DC-omvandlare. De lagrar energi när switchningen är stängd och återvinner den när den öppnas.

Sammanfattning

Små kapslade induktorer från Abracon har fördelarna som kapslade induktorer har men i en liten kapsling som är mindre än 3 mm. Trots sin ringa storlek kan de hantera betydande effektnivåer med låga kärn- och ledningsförluster, vilket ger utmärkt effektintegritet i små elektroniska enheter.