Bruke mini-støpte induktorer for å spare plass, redusere tap og forbedre strømintegritet og virkningsgrad

Induktorer er en avgjørende komponent i konstruksjoner for spenningsomforming og -regulering. På grunn av rollene deres innen energilagring og -gjenvinning, er de å finne i nesten alle kretser som regulerer strøm. Etter hvert som utrustninger beveger seg mot mindre og mer kompakte utforminger som må være stadig mer energieffektive, er konstruktører nødt til å være mer kresne når de skal velge induktorer for å imøtekomme disse trendene samtidig som de håndterer høyere strømmer.

Å redusere effekttap og forbedre virkningsgraden avhenger i stor grad av konstruksjonen og kjernematerialet til induktoren. Bruken av mini-støpte induktorer reduserer for eksempel induktorvolumet, samtidig som det gir alle fordelene til mer konvensjonelle induktorer, i tillegg til bedre skjerming mot elektromagnetisk interferens (EMI), høyere effekttetthet og lavere kjernetap.

Denne artikkelen beskriver kort induktorer og induktans. Den introduserer deretter mini-støpte induktorer fra Abracon LLC, og tar for seg sortimentet og bruksområdene til disse.

Induktorer og induktans

Induktorer er passive komponenter med to terminaler som lagrer og gjenvinner energi i form av et magnetfelt. De er vanligvis en isolert ledning som er trådviklet på en spole. Strøm som påføres induktoren skaper et magnetfelt som er proporsjonalt med strømmen i spolen. Hvis den påførte strømmen endres, skaper dette et tidsvarierende magnetfelt som induserer en elektromotorisk kraft (EMF) i lederen. Den induserte spenningen har en polaritet som motarbeider endringen i strømmen som skapte den. Induktorer kjennetegnes av induktansen, som er forholdet mellom den induserte spenningen og strømendringshastigheten. Henry (H), som er enheten for induktans, kan økes ved å lage en spole med flere viklinger, bygge et større tverrsnitt, redusere spolelengden eller bruke en kjerne med et materiale som har høyere permeabilitet (figur 1).

Figur 1: Her vises faktorene som bestemmer induktansen til en spole. (Bildekilde: Abracon)

Permeabilitet er en magnetisk egenskap, og kjernematerialer med høyere permeabilitet genererer høyere tetthet av magnetisk fluks, noe som gjør at mer energi kan lagres. Derfor er induktansen også proporsjonal med permeabiliteten til induktorens kjernemateriale. En svært permeabel kjerne kan redusere størrelsen og vekten til induktoren uten å redusere induktansverdien, noe som resulterer i et mindre og lettere format.

Kjernematerialer inkluderer luft, jern, stål, jernpulver, metallpulver, keramikk og ferritt. Ferritt er et keramisk materiale som er kombinert med pulverisert jernoksid og/eller andre pulveriserte metaller for å oppnå et kjernemateriale med høy permeabilitet. Pulverkjerner bruker pulveriserte magnetiske metaller blandet med et bindemiddel og et belegg. Valget av metall, bindemiddel og til og med inkludering av luftbobler i blandingen, bestemmer permeabiliteten til det resulterende kjernematerialet.

Induktorspesifikasjoner

De svært viktige spesifikasjonene for induktorer som brukes i strømutrustninger, er induktans, DC-motstand (DCR), metningsstrøm, temperaturstigningsstrøm, nominell strøm, egenresonansfrekvens (SRF) og kvalitetsfaktor (Q).

DCR-en, noen ganger kalt ledningstap, er den målte motstanden til en induktor for en DC-kilde. DCR varierer proporsjonalt med induktansen på grunn av lengden og tverrsnittsarealet til ledningen. Strøminduktorer har vanligvis en DCR på noen titalls milliohm (mΩ) for å sikre lave ledningstap. I de fleste tilfeller er DCR spesifisert som en maksimal klassifisering.

Etter hvert som strømmen gjennom en induktor øker, økes magnetfeltet proporsjonalt helt til det når metning. På dette tidspunktet begynner permeabiliteten å avta. Strømøkninger utover dette punktet fører til at induktansen faller. Metningsstrømmen er strømverdien der motstanden faller en bestemt mengde i forhold til den nominelle induktansen. Strøminduktorer bruker vanligvis en reduksjon på 10 til 30 % som spesifikasjonsgrense.

Temperaturstigningsstrømmen er spesifisert som DC-nivået der en induktors kabinetttemperatur øker med 40 °C.

Nominell strøm er spesifisert som den lavere verdien til metningsstrømmen eller temperaturstigningsstrømmen, som gjør det mulig for en induktor å virke under den minste av de to grensene.

SRF er frekvensen der reaktansen til parasittkapasitansen for en induktor er lik reaktansen. På dette tidspunktet fungerer en induktor som en parallell resonanskrets. Nettoreaktansen er null, og impedansen er ekstremt høy og fullstendig resistiv. Induktorer brukes vanligvis under SRF-verdien deres i strømutrustninger.

Q for en induktor er et mål for virkningsgrad, og er forholdet mellom den induktive reaktansen og motstanden ved en gitt frekvens. En høyere Q-verdi betyr lavere tap og hvor tett en induktors oppførsel gjenspeiler oppførselen til en ideell induktor.

Støpte strøminduktorer

Støpte strøminduktorer er overflatemonterte enheter (SMD – surface mount device) som bruker støpeteknologi for å omgi og innkapsle spolen til en induktor. I motsetning til tradisjonelle trådviklede induktorer, presses det magnetiske pulvermaterialet til en støpt induktor inn i en form rundt en trådspole som omgir lederne. Støpesammensetningen, vanligvis et pulverisert metall og et bindemiddel, herder permeabiliteten til induktorkjernen. Den pulveriserte metallfyllingen gir en mykere metningsrespons enn ferrittfyllstoffer. Den gir også svært effektiv magnetisk skjerming, noe som resulterer i lav magnetisk fluks-lekkasje. En støpt induktor er en fast komponent som er egnet for tøffe miljøer og beskytter mot fuktighet, støv, støt og vibrasjoner. En støpt induktor avgir ikke akustisk støy, fordi den har ikke en laminert kjerne. Den enkle konstruksjonen i ett stykke gir utmerket mekanisk stabilitet og er kompakt og lett.

Abracons mini-støpte induktorer tilbyr alle fordelene til støpte induktorer i en liten kapsling som måler under 3 millimeter (mm). I tillegg til deres kompakte størrelse, inkluderer mini-støpte induktorer høy effekttetthet, lave kjerne- og konduksjonstap og utmerket EMI-skjerming.

Mini-støpte induktorer i AOTA-B1412- og AOTA-B2012-serien tilbys med et induktansområde fra 0,11 til 2,2 mikro-Henry (µH), og har kapslingsdimensjoner fra 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 tommer) til 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 tommer) med en maksimal høyde så lav som 0,65 mm (0,026 tommer). Disse induktorene håndterer nominell strøm fra 1,9 til 6,4 ampere (A), og er klassifisert til å fungere over et temperaturområde fra –40 °C til +125 °C.

Et eksempel fra AOTA-B2012-serien er Abracon AOTA-B201208SR11MT, en SMD mini-støpt induktor på 0,11 µH med en nominell strøm på 5,6 A og en metningsstrøm på 10 A (figur 2). Den har en DCR på 13 mΩ og en SRF på 185 megahertz (MHz). Den er montert i en kapsling på 2,0 mm x 1,2 mm (0,079 x 0,047 tommer) med en montert høyde på 0,8 mm (0,031 tommer).

Figur 2: AOTA-B201208SR11MT er en typisk Abracon mini-støpt induktor i en SMD-kapsling på under 3 mm som beskytter mot miljøfaktorer som fuktighet, støv, slag og vibrasjoner. (Bildekilde: Abracon)

I det øvre induktansområdet til Abracon AOTA-B2012-serien finner vi AOTA-B201208S2R2MT, som har en induktans på 2,2 µH, en nominell strøm på 1,8 A, en DCR på 130 mΩ og en SRF på 42 MHz. Den høyere induktansen krever et større antall viklinger, noe som øker DCR-verdien og reduserer nominell strøm og SRF sammenlignet med AOTA-B201208SR11MT. Kapslingens dimensjoner er de samme som AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm (0,079 x 0,047 tommer) og en høyde på 0,8 mm (0,031 tommer).

Eksempler på Abracon AOTA-B1412-serien, er AOTA-B141206SR33MT og AOTA-B141206SR47MT. Disse mini-støpte induktorene har den minste kapslingen med dimensjoner på 1,4 mm x 1,2 mm (0,055 x 0,047 tommer) og en kapslingshøyde på bare 0,65 mm (0,026 tommer). AOTA-B141206SR33MT har en induktans på 0,33 µH, en nominell strøm på 3,5 A, en DCR på 32 mΩ og en SRF på 120 MHz. AOTA-B141206SR47MT har en induktans på 0,47 µH, en nominell strøm på 2,9 A, en DCR på 41 mΩ og en SRF på 115 MHz.

Bruksområder for mini-støpte induktorer

Til tross for deres lille størrelse, håndterer Abracons mini-støpte induktorer betydelig effekt med lave kjerne- og konduksjonstap, samtidig som de tilbyr overlegen EMI-skjerming. Disse egenskapene gjør dem til ideelle valg for å møte den makeløse etterspørselen etter strømomformere i stadig mindre formfaktorer.

Typiske bruksområder for disse komponentene inkluderer strømavkobling, filtrering og DC–DC-omformere (figur 3).

Figur 3: Typiske bruksområder for Abracons mini-støpte induktorer inkluderer strømavkobling, filtrering og DC–DC-omformere. (Bildekilde: Art Pini)

Avkobling av integrerte kretser fra strømbussen utnytter den frekvensvariable impedansen til induktoren kombinert med de komplementære impedansegenskapene til en kondensator for å dempe høyfrekvente signaler og støy, noe som isolerer dem fra IC-strøminngangene. Lav DCR og høy SRF er de viktige induktoregenskapene.

Filtre styrer frekvensresponsen til signalbanen og kan konfigureres som lav, høy, båndpass eller båndstopp. Induktor-kondensator (LC)-filtre gir passive frekvens-selektive responser for enheter med lav effekt som ikke krever aktive enheter.

Induktorer er det primære energilagringselementet i DC–DC-omformere. De lagrer energi mens bryteren er lukket og gjenvinner den når den åpnes.

Konklusjon

Abracons mini-støpte induktorer tilbyr alle fordelene til støpte induktorer i en liten kapsling som er mindre enn 3 mm. Til tross for deres lille størrelse, kan de håndtere betydelige effektnivåer med lave kjerne- og konduksjonstap, noe som sikrer utmerket strømintegritet i små elektroniske enheter.