【導(dǎo)讀】電感器是電壓轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器設(shè)計中的關(guān)鍵元器件。由于具有能量儲存和回收作用，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，而且必須不斷提高能效，設(shè)計人員在挑選電感器時需要更加審慎，才能順應(yīng)趨勢并處理更大的電流。
電感器是電壓轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器設(shè)計中的關(guān)鍵元器件。由于具有能量儲存和回收作用，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，而且必須不斷提高能效，設(shè)計人員在挑選電感器時需要更加審慎，才能順應(yīng)趨勢并處理更大的電流。
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，同時還能保留傳統(tǒng)電感器的所有優(yōu)點，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
電感器是雙端無源元器件，以磁場的形式儲存和回收能量。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，線圈內(nèi)會產(chǎn)生與該電流成正比的磁場。如果施加的電流發(fā)生變化，就會產(chǎn)生時變磁場，該磁場會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電動勢 (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)，可以通過增加線圈匝數(shù)、加大橫截面、縮短線圈長度或使用磁導(dǎo)率更高的磁芯來增加電感（圖 1）。
圖 1：決定線圈電感的因素。（圖片來源：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 有時也稱為線圈損耗，是直流電源電感器的實測電阻。由于導(dǎo)線的長度和橫截面積不同，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 會被指定為最大額定值。
隨著通過電感器的電流增大，磁場也會成比例增強(qiáng)，直至達(dá)到飽和狀態(tài)；此時，磁導(dǎo)率開始下降。電流增大超過此極限值時，會導(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的頻率。此時，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。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、防沖擊和防振動特性。因為沒有層壓磁芯，模制電感器不會發(fā)出噪聲。簡單的一體式結(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。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、沖擊和振動等環(huán)境因素的影響。（圖片來源：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，同時提供出色的 EMI 屏蔽。當(dāng)今世界對外形越來越小的電源轉(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，來衰減高頻信號和噪聲，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) 濾波器為無需有源器件的低功耗器件提供無源頻率選擇性響應(yīng)。
電感器是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的主要儲能元件。這些器件能在開關(guān)閉合時儲存能量，在開關(guān)打開時釋放能量。
結(jié)語
Abracon 微型模制電感器采用 3 mm 以下的緊湊型封裝，具有模制電感器的優(yōu)點。盡管外形小巧，但能應(yīng)付較大功率等級，并具有較低的磁芯損耗和傳導(dǎo)損耗，確保小型電子器件提供出色的電源完整性。
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