Utilizați mini-inductoare turnate pentru a economisi spațiu, a reduce pierderile și a îmbunătăți integritatea și eficiența energetică

Inductoarele reprezintă o componentă esențială în proiectarea convertoarelor și regulatoarelor de tensiune. Datorită rolului lor de stocare și recuperare a energiei, acestea sunt prezente în aproape toate circuitele care reglează puterea. Pe măsură ce aplicațiile tind către modele mai mici și mai compacte, care trebuie să fie din ce în ce mai eficiente din punct de vedere energetic, proiectanții trebuie să fie mai exigenți în ceea ce privește inductorul ales pentru a se adapta la aceste tendințe în timp ce gestionează curenți mai mari.

Reducerea pierderilor de putere și îmbunătățirea eficienței depind în mare măsură de designul inductorului și de materialul miezului. De exemplu, utilizarea mini-inductoarelor turnate reduce volumul inductoarelor, oferind în același timp toate avantajele inductoarelor convenționale, împreună cu o mai mare protecție împotriva interferențelor electromagnetice (EMI), o densitate de putere mai mare și pierderi mai mici în miez.

Acest articol descrie pe scurt inductoarele și inductanța. Apoi, prezintă mini-inductoarele turnate de la Abracon LLC și discută despre selectarea și aplicarea acestora.

Inductoare și inductanță

Inductoarele sunt componente pasive cu două terminale care stochează și recuperează energia sub forma unui câmp magnetic. În general, acestea au forma unui fir izolat înfășurat pe o bobină. Un curent aplicat inductorului creează un câmp magnetic proporțional cu acel curent în interiorul bobinei. În cazul în care curentul aplicat se modifică, acesta creează un câmp magnetic variabil în timp, care induce o forță electromotoare (EMF) în conductor. Tensiunea indusă are o polaritate opusă modificării curentului care a creat-o. Inductoarele sunt caracterizate de inductanța lor, care este raportul dintre tensiunea indusă și rata de variație a curentului. Henry (H) este unitatea de inductanță, care poate fi crescută prin crearea unei bobine cu mai multe spire, construirea unei secțiuni transversale mai mari, reducerea lungimii bobinei sau utilizarea unui miez dintr-un material cu permeabilitate mai mare (Figura 1).

Figura 1: Sunt prezentați factorii care determină inductanța unei bobine. (Sursa imaginii: Abracon)

Permeabilitatea este o caracteristică magnetică, iar materialele miezului cu permeabilitate mai mare generează o densitate mai mare a fluxului magnetic, permițând stocarea unei cantități mai mari de energie. Prin urmare, inductanța este, de asemenea, proporțională cu permeabilitatea materialului miezului inductorului. Un miez foarte permeabil poate reduce dimensiunea și greutatea inductorului, fără a reduce valoarea inductanței, rezultând într-o capsulă generală mai mică și mai ușoară.

Materialele miezului includ aer, fier, oțel, pulbere de fier, pulbere metalică, ceramică și ferită. Feritele sunt materiale ceramice combinate cu pulberi de oxid de fier și/sau alte pulberi metalice pentru a alcătui un material de miez cu permeabilitate ridicată. Miezurile cu pulbere utilizează pulberi de metale magnetice amestecate cu un liant și un strat de acoperire. Alegerea metalului, a liantului și chiar includerea bulelor de aer în amestec determină permeabilitatea materialului de miez rezultat.

Specificațiile inductorului

Specificațiile critice pentru inductoarele utilizate în aplicații de putere sunt inductanța, rezistența la curent continuu (DCR), curentul de saturație, curentul de creștere a temperaturii, curentul nominal, frecvența de auto-rezonanță (SRF) și factorul de calitate (Q).

DCR, uneori numită pierdere de cablu, este rezistența măsurată a unui inductor pentru o sursă de curent continuu. DCR variază proporțional cu inductanța datorită lungimii și ariei secțiunii transversale a firului. În general, inductoarele de putere au un DCR de ordinul zecilor de miliohmi (mΩ) pentru a asigura pierderi de conducție reduse. În majoritatea cazurilor, DCR este specificat ca o valoare nominală maximă.

Pe măsură ce curentul prin inductor crește, câmpul magnetic crește proporțional până când ajunge la saturație; în acest moment, permeabilitatea începe să scadă. Creșterea curentului dincolo de acest punct determină scăderea inductanței. Curentul de saturație este curentul la care rezistența scade cu o anumită valoare a inductanței nominale. Inductoarele de putere utilizează, de obicei, o scădere de 10 până la 30% ca limită a specificațiilor.

Curentul de creștere a temperaturii este specificat ca fiind nivelul de curent continuu la care temperatura de carcasă a unui inductor crește cu 40 °C.

Curentul nominal este specificat ca cea mai mică valoare a curentului de saturație sau a curentului de creștere a temperaturii, permițând unui inductor să funcționeze sub cea mai mică dintre cele două limite.

SRF este frecvența la care reactanța capacității parazite a unui inductor este egală cu reactanța. În acest punct, un inductor funcționează ca un circuit rezonant paralel. Reactanța netă este zero, iar impedanța este extrem de ridicată și complet rezistivă. Inductoarele sunt, în general, utilizate sub valoarea lor SRF în aplicațiile de putere.

Valoarea Q a unui inductor este o măsură a eficienței sale și reprezintă raportul dintre reactanța sa inductivă și rezistența sa la o anumită frecvență. Un Q mai mare înseamnă pierderi mai mici, iar comportamentul unui inductor se apropie mai mult de cel al unui inductor ideal.

Inductoare de putere turnate

Inductoarele de putere turnate sunt dispozitive cu montare pe suprafață (SMD) care utilizează tehnologia de turnare pentru a înconjura și încapsula bobina unui inductor. Spre deosebire de inductoarele tradiționale înfășurate în sârmă, materialul de pulbere magnetică al unui inductor turnat este presat într-o matriță în jurul unei bobine de sârmă care înconjoară conductorii. Compusul de turnare, de obicei un metal pulverizat și un liant, stabilește permeabilitatea miezului inductorului. Umplutura metalică sub formă de pudră oferă un răspuns de saturație mai lin decât umpluturile de ferită. De asemenea, asigură o ecranare magnetică foarte eficientă, rezultând o scurgere redusă a fluxului magnetic. Un inductor turnat este o componentă solidă potrivită pentru medii dificile, protejând împotriva umidității, prafului, șocurilor și vibrațiilor. Un inductor turnat nu emite zgomot acustic deoarece nu are un miez laminat. Construcția simplă, dintr-o singură bucată, oferă o stabilitate mecanică excelentă și este compactă și ușoară.

Mini-inductoarele turnate de la Abracon oferă toate avantajele inductoarelor turnate într-o capsulă mică, măsurând sub 3 milimetri (mm). Pe lângă dimensiunea lor compactă, mini-inductoarele turnate includ densitate mare de putere, pierderi reduse ale miezului și de conducție, precum și ecranare EMI excelentă.

Mini-inductoarele turnate din seriile AOTA-B1412 și AOTA-B2012 sunt oferite cu un interval de inductanță de la 0,11 la 2,2 microHenry (µH) și au dimensiuni ale capsulei de la 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 inch (in.)) până la 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 in.) cu o înălțime maximă de până la 0,65 mm (0,026 in.). Aceste inductoare suportă curenți nominali de la 1,9 la 6,4 amperi (A) și sunt proiectate să funcționeze într-un interval de temperatură de la -40 °C la +125 °C.

Un exemplu din seria AOTA-B2012 este Abracon AOTA-B201208SR11MT, un mini-inductor turnat SMD de 0,11 µH cu un curent nominal de 5,6 A și un curent de saturație de 10 A (Figura 2). Acesta are un DCR de 13 mΩ și un SRF de 185 megahertzi (MHz). Este montat într-o capsulă de 2,0 mm x 1,2 mm (0,079" x 0,047") cu o înălțime de 0,8 mm (0,031").

Figura 2: AOTA-B201208SR11MT este un mini-inductor turnat tipic de la Abracon, într-o capsulă SMD sub 3 mm, care protejează împotriva factorilor de mediu, cum ar fi umiditatea, praful, șocurile și vibrațiile. (Sursa imaginii: Abracon)

În gama superioară de inductanță a seriei Abracon AOTA-B2012 se află AOTA-B201208S2R2MT, cu o inductanță de 2,2 µH, un curent nominal de 1,8 A, un DCR de 130 mΩ și un SRF de 42 MHz. Inductanța mai mare necesită un număr mai mare de spire, ceea ce crește DCR și scade curentul nominal și SRF comparativ cu AOTA-B201208SR11MT. Dimensiunile capsulei sunt aceleași ca la AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm (0,079" x 0,047") cu o înălțime de 0,8 mm (0,031").

AOTA-B141206SR33MT și AOTA-B141206SR47MT sunt exemple din seria AOTA-B1412 de la Abracon. Aceste mini-inductoare turnate au cea mai mică capsulă, cu dimensiuni de 1,4 mm x 1,2 mm (0,055" x 0,047") și o înălțime a capsulei de numai 0,65 mm (0,026"). AOTA-B141206SR33MT are o inductanță de 0,33 µH, un curent nominal de 3,5 A, un DCR de 32 mΩ și un SRF de 120 MHz. AOTA-B141206SR47MT are o inductanță de 0,47 µH, un curent nominal de 2,9 A, un DCR de 41 mΩ și un SRF de 115 MHz.

Aplicații pentru mini-inductoare turnate

În ciuda dimensiunilor lor mici, mini-inductoarele turnate de la Abracon gestionează o putere substanțială cu pierderi ale miezului și conductive reduse, oferind în același timp o ecranare EMI superioară. Aceste caracteristici le fac să fie alegerea ideală pentru a satisface cererea fără precedent de convertoare de putere în factori de formă tot mai mici.

Aplicațiile tipice pentru aceste componente includ decuplarea puterii, filtrarea și convertoarele c.c./c.c. (Figura 3).

Figura 3: Aplicațiile tipice ale mini-inductoarelor turnate de la Abracon includ decuplarea puterii, filtrarea și convertoarele c.c./c.c. (Sursa imaginii: Art Pini)

Decuplarea circuitelor integrate de magistrala de alimentare utilizează impedanța variabilă în frecvență a inductorului, în combinație cu caracteristicile de impedanță complementare ale unui condensator pentru a atenua semnalele de înaltă frecvență și zgomotul, izolându-le de intrările de alimentare ale circuitului integrat. DCR scăzut și SRF ridicat sunt caracteristicile importante ale inductorului.

Filtrele controlează răspunsul în frecvență al traseului semnalului și pot fi configurate ca fiind joase, înalte, trece bandă sau oprește bandă. Filtrele cu inductor-condensator (LC) oferă răspunsuri pasive de selectare a frecvenței pentru dispozitive cu putere redusă care nu necesită dispozitive active.

Inductoarele reprezintă principalul element de stocare a energiei în convertoarele c.c./c.c. Acestea stochează energia în timp ce comutatorul este închis și o recuperează atunci când se deschide.

Concluzie

Mini-inductoarele turnate de la Abracon oferă avantajele inductoarelor turnate într-o capsulă compactă mai mică de 3 mm. În ciuda dimensiunilor lor mici, ele pot suporta niveluri semnificative de putere cu pierderi reduse de miez și de conducție, asigurând o integritate energetică excelentă în dispozitivele electronice mici.