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作者：Patrik Kalbermatten，基美電子（KEMET） 工程復(fù)合磁芯使電感器制造商可將大電感集成到小體積中。FlakeComposite新技術(shù)將磁芯性能提升到了一個新的水平，并增加了額外的機(jī)械彈性，可支持新型的超薄器件。 功率電感器是用于管理開關(guān)轉(zhuǎn)換器中能量流的關(guān)鍵器件，可確保平穩(wěn)輸電并幫助協(xié)調(diào)換向。為了保持電流流動足夠長的時(shí)間，而使電路在主開關(guān)關(guān)閉時(shí)能正確工作，工程師需要選擇合適的電感值來存儲足夠的能量。 雖然為了支持連續(xù)或不連續(xù)電流模式（CCM或CDM）或諧振工作，電感值的計(jì)算會根據(jù)轉(zhuǎn)換器的類型而有所不同，但對于給定的額定電流，電感值與尺寸相比通常要大。此外，還需要在預(yù)期頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性能，而對于汽車或航空航天等應(yīng)用來說，還需要提供溫度穩(wěn)定性并提高最高工作溫度。 工程電感器達(dá)到極限 電感器的屬性受物理定律限制。對磁芯材料進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，有助于將這些限制推向極限，從而為工程師的應(yīng)用提供最佳參數(shù)組合。通常使用的磁芯材料包括錳鋅（MnZn）和鎳鋅（NiZn）鐵氧體，以及由特殊配方合金顆粒（由絕緣粘合劑隔開）所形成的金屬粉末芯。盡管通過增加磁芯體積來解決電源應(yīng)用很困難，但薄膜電感器也可以通過沉積鈷基合金來制造，從而實(shí)現(xiàn)具有良好飽和性能的高磁導(dǎo)率。 盡管存在一些缺點(diǎn)，但鐵氧體磁芯具有高磁導(dǎo)率——NiZn材料高達(dá)300左右，而MnZn則會更高。這些材料往往很脆，因此不適合嵌入到PCB中，或制造薄型電感器，例如平面橫向通量器件。此外，它們會經(jīng)歷突然的飽和，而引起電感隨直流偏置的增加而發(fā)生急劇滾降。 就粉末芯而言，流行的合金包括鐵硅（FeSi）或鐵硅鋁（FeSiAl），以及包括非晶鐵和坡莫合金在內(nèi)的其他組合物。這類分布式氣隙磁芯具有顆粒結(jié)構(gòu)，其飽和特性比鐵氧體電感器要軟，因此對小偏移直流偏置較不敏感。另一方面，其磁導(dǎo)率通常要比鐵氧體小約一個數(shù)量級，其有機(jī)粘合劑也不能耐受高工作溫度。 新的金屬薄片壓制技術(shù)現(xiàn)在可以生產(chǎn)出磁導(dǎo)率與NiZn鐵氧體相當(dāng)、軟飽和特性與傳統(tǒng)粉末芯可比的分布式氣隙磁芯材料。此外，這種新型FlakeComposite磁芯還具有更高的溫度穩(wěn)定性、更高的最高工作溫度和機(jī)械靈活性。這種靈活性增加所帶來的不僅是有機(jī)會創(chuàng)造超薄電感器，而且還可以在PCB內(nèi)嵌入強(qiáng)大的電感器而節(jié)省空間，并可以探索機(jī)會，將新型電感器（如橫向磁通電感器）與有源器件一起集成在下一代電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中。 性能比較 圖1給出了FlakeComposite磁芯材料與鐵氧體、粉末和薄膜磁芯的關(guān)鍵磁導(dǎo)率和飽和特性對比。 
圖1：FlakeComposite的磁導(dǎo)率與鐵氧體相當(dāng)，并具有卓越的飽和性能。 眾所周知，鐵氧體材料在高頻、高溫或高直流偏流值下會失去磁導(dǎo)率，導(dǎo)致電感值迅速降低，從而影響性能。為了確保FlakeComposite磁芯電感器至少能夠與鐵氧體電感器一樣好，我們需要比較頻率、溫度和直流偏置性能。 圖2比較了FlakeComposite與NiZn鐵氧體復(fù)合磁導(dǎo)率的頻散。兩種材料的曲線圖顯示，磁導(dǎo)率在約6MHz以上迅速降低，這表明FlakeComposite在工作頻率高達(dá)1MHz的開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，性能與NiZn相同或者更好。
圖2：對于高達(dá)數(shù)MHz頻率的電源應(yīng)用來說，F(xiàn)lakeComposite所提供的性能與NiZn鐵氧體相當(dāng)。 對磁飽和特性進(jìn)行比較，F(xiàn)lakeComposite進(jìn)入飽和要比NiZn鐵氧體更軟，并且溫度相關(guān)性更低，因此大有裨益（圖3）。
圖3：與NiZn鐵氧體相比，F(xiàn)lakeComposite的磁飽和曲線更軟，溫度相關(guān)性更低。 圖4對FlakeComposite與NiZn鐵氧體和傳統(tǒng)金屬復(fù)合材料（粉末）的直流偏置性能進(jìn)行了對比。FlakeComposite結(jié)合了兩種類型的優(yōu)勢，在低偏置下具有與NiZn相當(dāng)?shù)膬?yōu)異磁導(dǎo)率，而在高偏置下則可保持更高的磁導(dǎo)率，并且溫度相關(guān)性最低。
圖4：當(dāng)施加高直流偏置電場時(shí)，直流偏置特性顯示FlakeComposite具有更高的磁導(dǎo)率。 如果電感器工作溫度達(dá)到磁芯材料的居里溫度——在該溫度下磁芯會失去磁性——則磁芯磁導(dǎo)率會迅速下降，從而使電感快速損失。如圖5所示，F(xiàn)lakeComposite的居里溫度也高于典型的NiZn或MnZn鐵氧體。
圖5：FlakeComposite的居里溫度更高，可確保在更高的工作溫度下保持電感值。 電感器變薄且占位面積變小 為了不斷降低負(fù)載點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換模塊的占位面積，業(yè)界已提出集成有源和無源元器件的新設(shè)計(jì)。與先前用于構(gòu)建薄型電感器的傳統(tǒng)縱向通量模式不同，這些設(shè)計(jì)所用平面電感器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，因而具有橫向通量模式。隨著電感器厚度的降低，與傳統(tǒng)的縱向通量器件相比，橫向磁通電感器顯現(xiàn)出越來越優(yōu)越的電感。FlakeComposite的機(jī)械特性可實(shí)現(xiàn)厚度為50μm至2mm的電感器，因此非常適合制造超薄橫向磁通電感器。 采用FlakeComposite制造的電感器極薄卻堅(jiān)固，為了幫助節(jié)省占位面積，在將其嵌入到PCB時(shí)也可實(shí)現(xiàn)固有對齊，并且與傳統(tǒng)鐵氧體磁芯相比，也可降低高達(dá)40%的電感器高度。 彈性高磁導(dǎo)率材料 除了可用于功率電感器之外，F(xiàn)lakeComposite的磁性和機(jī)械性能組合還適用于包括EMI抑制和屏蔽無線輸電線圈在內(nèi)的電磁屏蔽應(yīng)用，從而可優(yōu)化充電性能并保護(hù)附近的電子設(shè)備。 FlakeComposite技術(shù)是基美電子Flex Suppressor®產(chǎn)品的核心，事實(shí)證明這類產(chǎn)品可在各種應(yīng)用中減少電磁噪聲。 總結(jié) FlakeComposite這種新方法可以優(yōu)化電感器的磁芯性能，并進(jìn)一步拓展機(jī)會，實(shí)現(xiàn)未來電源轉(zhuǎn)換電路的小型化設(shè)計(jì)，因此它將超越當(dāng)前鐵氧體磁芯材料所取得的成就。FlakeComposite可提供類似的磁導(dǎo)率，以及卓越的飽和特性、直流偏置性能和更高的溫度性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超薄功率電感器設(shè)計(jì)，并為PCB嵌入式電感器提供所需的機(jī)械性能，從而實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)省空間。 |
