Snížení ztrát a zvýšení účinnosti závisí do značné míry na konstrukci induktoru a materiálu jádra. Induktory vyrobené metodou lisováním snižují jejich objem a navíc přináší větší stínění proti elektromagnetickému rušení (EMI), vyšší hustotou výkonu a nižší ztráty v jádře. Tento článek stručně popisuje vlastnosti induktorů a poté představí miniaturní lisované induktory od Abracon LLC, jejich výběr a použití.

Induktory a jejich indukčnost

Induktory jsou pasivní součástky se dvěma vývody, které mají schopnost ukládat a obnovovat energii ve formě magnetického pole. Obvykle jsou tvořeny z izolovaného drátu navinutého v podobě cívky. Proud procházející induktorem vytváří magnetické pole úměrné jeho velikosti. Pokud se procházející proud změní, vytvoří časově proměnlivé magnetické pole, které indukuje elektromotorickou sílu (EMF) ve vodiči. Indukované napětí má polaritu, která je v opačné polaritě vzhledem ke změně procházejícího proudu. Induktory se vyznačují svou indukčností. To je poměr indukovaného napětí k rychlosti změny proudu. Henry (H) je jednotka indukčnosti, kterou lze zvýšit vytvořením více závitů na cívce, použitím většího průřezu vodiče, zmenšením délky cívky nebo použitím jádra s vyšší permeabilitou (obrázek 1).

Permeabilita je magnetická charakteristika materiálu a její vyšší hodnota generuje vyšší hustotu magnetického toku, a díky tomu dochází k větší akumulaci energie. Proto je indukčnost přímo úměrná permeabilitě materiálu jádra. Jádro s vysokou hodnotou permeability sníží velikost a hmotnost induktoru bez snížení hodnoty indukčnosti, a to má za následek menší pouzdro s menší hmotností. 

Materiál jádra může být vzduch, železo, ocel, železný prášek, kovový prášek, keramika nebo ferit. Ferity jsou keramické materiály kombinované s práškovým oxidem železa nebo jinými práškovými kovy, které umožňují vytvořit materiál s vysokou permeabilitou. Prášková jádra používají práškové magnetické kovy smíchané s pojivem. Výběr kovu, pojiva a dokonce i zahrnutí vzduchových bublin do směsi určuje permeabilitu výsledného materiálu jádra.

Parametry induktoru

Důležité parametry induktoru používané v energetických aplikacích jsou indukčnost, stejnosměrný odpor (DCR - DC resistance), saturační proud (saturation current), proud nárůstu teploty (temperature rise current), jmenovitý proud (rated current), vlastní rezonanční frekvence (SRF - self-resonant frequency) a činitel jakosti (Q - quality factor). Stejnosměrný odpor DCR se někdy nazývá ztráta vodiče a jedná se o naměřený odpor induktoru připojeného ke stejnosměrnému zdroji. DCR se mění v závislosti na indukčnosti, délce a průřezu vodiče. Výkonové induktory mají obecně DCR v desítkách mΩ, aby byly zajištěny nízké ztráty ve vedení. Ve většině případů je DCR specifikován jako maximální hodnota.

S rostoucím proudem induktorem se magnetické pole úměrně zvětšuje, dokud nedosáhne bodu nasycení. V tomto okamžiku se permeabilita začíná snižovat. Zvýšení proudu za tímto bodem způsobí pokles indukčnosti. Saturační proud je proud, při kterém odpor klesne o určitou hodnotu jmenovité indukčnosti. Výkonové induktory obvykle používají snížení o 10 až 30 % jako limitní hodnotu. Proud nárůstu teploty je specifikován jako stejnosměrná úroveň proudu, kdy se teplota pouzdra induktoru zvýší o 40 °C. Jmenovitý proud je specifikován jako nejnižší hodnota saturačního proudu nebo proudu nárůstu teploty. SRF je frekvence, při které je reaktance parazitní kapacity induktoru rovna reaktanci. V tomto bodě funguje induktor jako paralelní rezonanční obvod. Čistá reaktance je nulová a impedance je extrémně vysoká a zcela odporová. Induktory v energetických aplikacích jsou obecně provozovány pod jejich rezonanční frekvencí SRF. Činitel jakosti Q je mírou jeho účinnosti. Je poměrem indukční reaktance k odporu při dané frekvenci. Vyšší Q znamená nižší ztráty a tím jsou jeho vlastnosti bližší k vlastnostem ideálního induktoru.

Lisované výkonové induktory

Lisované výkonové induktory jsou SMD součástky, které využívají technologii lisování k obklopení a zapouzdření cívky induktoru. Na rozdíl od tradičních induktorů vinutých drátem je magnetický práškový materiál lisovaného induktoru vtlačen do formy kolem drátové cívky obklopující vodiče. Formovací hmota, obvykle práškový kov a pojivo, určuje permeabilitu jádra induktoru. Prášková kovová výplň nabízí nižší odezvu nasycení než feritové výplně. Poskytuje také vysoce účinné magnetické stínění, a to má za následek nízký únik magnetického toku. Lisovaná cívka je pevná součástka vhodná i do drsného prostředí, která odolá vlhkosti, prachu, nárazům a vibracím. Lisovaný induktor nevydává akustický hluk. Jednoduchá konstrukce z jednoho kusu nabízí vynikající mechanickou stabilitu s minimálními rozměry a nízkou hmotností.

Kromě kompaktních rozměrů mají miniaturní lisované induktory vysokou hustotu výkonu, nízké ztráty v jádře a vedení a vynikající stínění proti EMI. Miniaturní lisované induktory řady AOTA-B1412 a AOTA-B2012 jsou nabízeny s rozsahem indukčnosti od 0,11 do 2,2 µH a mají rozměry od 1,4 x 1,2 mm do 2,0 x 1,2 mm s maximální výškou 0,65 mm. Tyto induktory zvládají jmenovité proudy od 1,9 do 6,4 A a jsou dimenzovány pro provoz v teplotním rozsahu -40 °C až +125 °C. Příkladem z řady AOTA-B2012 je AOTA-B201208SR11MT, 0,11 µH SMD mini lisovaný induktor se jmenovitým proudem 5,6 A a saturačním proudem 10 A (obrázek 2). Jeho DCR je 13 mΩ a SRF 185 MHz. Jeho rozměry jsou 2,0 x 1,2 mm a výškou 0,8 mm.

V horním rozsahu indukčnosti řady Abracon AOTA-B2012 je AOTA-B201208S2R2MT, s indukčností 2,2 µH, jmenovitým proudem 1,8 A, DCR 130 mΩ a SRF 42 MHz. Vyšší indukčnost vyžaduje větší počet závitů, a to zvyšuje DCR a snižuje jmenovitý proud a SRF ve srovnání s AOTA-B201208SR11MT. Rozměry jsou stejné jako u AOTA-B201208SR11MT čili 2,00 x 1,20 mm a výškou 0,8 mm.

Příklady řady Abracon AOTA-B1412 jsou AOTA-B141206SR33MT a AOTA-B141206SR47MT. Tyto mini lisované induktory mají nejmenší pouzdro s rozměry 1,4 x 1,2 mm a výškou pouzdra 0,65 mm. AOTA-B141206SR33MT má indukčnost 0,33 µH, jmenovitý proud 3,5 A, DCR 32 mΩ a SRF 120 MHz AOTA-B141206SR47MT má indukčnost 0,47 µH, jmenovitý proud 2,9 A, DCR 41 mΩ a SRF 115 MHz.

Aplikace pro mini lisované induktory

Navzdory své malé velikosti zvládají lisované induktory Abracon značný výkon s nízkými ztrátami v jádře a vodivosti a zároveň nabízejí vynikající stínění proti EMI. Tyto vlastnosti z nich činí ideální volbu pro výkonové měniče ve stále menších provedeních. Typické aplikace pro tyto komponenty jsou oddělení výkonu, filtrování a DC/DC měniče (obrázek 3).

Oddělení integrovaných obvodů od napájecí sběrnice využívá frekvenčně proměnnou impedanci induktoru kombinovanou s doplňkovými impedančními charakteristikami kondenzátoru k zeslabení vysokofrekvenčních signálů a šumu, čímž je izoluje od napájecích vstupů integrovaného obvodu. Nízký DCR a vysoký SRF jsou důležité vlastnosti induktoru. Filtry řídí frekvenční odezvu signálové cesty a mohou být konfigurovány jako dolní, horní či pásmová propust nebo pásmová zádrž. LC filtry poskytují pasivní frekvenčně selektivní odezvy pro nízkopříkonová zařízení. Induktory jsou primárním prvkem pro uchovávání energie v DC/DC měničích. Ukládají energii, když je spínač (tranzistor) zavřený, a obnovují ji, když se spínač (tranzistor) otevře.

Závěr

Miniaturní lisované induktory Abracon nabízejí výhody v kompaktním pouzdře menším než 3 mm. Navzdory své malé velikosti jsou schopny zvládnout velmi vysoké úrovně výkonu s nízkými ztrátami v jádře a vedení, a to zajišťuje vynikající integritu napájení v malých elektronických zařízeních.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com