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最適合開關電源的電容與電感

電源的發展歷程與金屬電感

電感篇 -其4-

Keyword
  • 低電壓大電流
  • 開關頻率高
  • 鐵氧體
  • 金屬
  • 磁導率μ
  • 飽和磁通密度
  • 直流疊加額定電流
  • 飽和
  • 隔離型
  • 金屬磁性壓粉材料
  • Q劣化
  • 高溫存儲試驗

前面我們講了電感的基本特性對電源特性有怎樣的影響,此次介紹隨著電源的發展金屬電感的使用日益增加的情況、以及包括材料在內的金屬電感的特長。這與針對近年來的小型化要求,開關頻率高的電源需求增加密切相對。

-的確,為實現小型化,提高電源電路的開關頻率,使用電感值小的電感、即尺寸小的電感的案例增加了。

我想大家都知道,IC隨著製程的微細化發展,電源電壓也越來越低,而電源電流日益增大,也被表述為“低電壓大電流化”。關於電感,要流過大電流,需要電感值小,作為電源電路,要以小的電感值工作,需要開關頻率高。而原本被認為特性上很難實現大電感值的金屬電感,只要在電感值小的條件下,在特性和尺寸兩方面均具優勢。下圖是IC的電源電壓變化示意圖,以及鐵氧體電感和金屬電感對開關頻率/電感值/電流的覆蓋範圍示意圖。

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-鐵氧體電感中也有電感值小的產品,那金屬電感的優勢在哪裡?

那麼我最先介紹一下鐵氧體電感與金屬電感的區別。

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首先,金屬的磁導率μ低,因此是電感值很難提高的材料。然而,飽和磁通密度高,即直流疊加額定電流高,飽和也非常平緩。因此,如果直流疊加額定電流相同,則可比鐵氧體的尺寸小。此外,還具有電感值對溫度幾乎無變化的特性。關於絕緣(隔離)也有注意事項,稍後將進行說明。頻率特性最近已經顯著改善,支援高頻率。最後,材料費是△標記,可能也與最近需求高漲有關,已經越來越水漲船高了。

作為很大的一個優點,金屬材料的飽和磁通密度高,因此可實現具有優異疊加特性的電感。而要有效利用這一優點,需要改善磁導率μ低、電感值不易提高這一點。

-實際上已經有所改善了吧?

那麼我要用ROHM產品來進行說明了。我公司針對一般的金屬複合材料,研發出稱為“金屬磁性壓粉材料”的獨有材料。我公司的金屬磁性壓粉材料與傳統的金屬複合材料相比,是具有更高的磁導率μ,具有更高的絕緣性能的材料。MCOIL™除採用金屬磁性壓粉材料外,還融入我公司的獨自技術,是具有實用性電感值與優異疊加特性的金屬電感。

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-您提到這種獨有材料具有優異的絕緣性能,這與剛才提到的“關於絕緣(隔離)也有注意事項”有關係嗎?

因為同是材料相對內容,所以請允許我在此介紹一下。下圖為金屬複合型材料與MCOIL™的比較及改善點。

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金屬複合型鐵粉通過鐵粉間的有機樹脂絕緣。而MCOIL™的鐵粉間由無機氧化膜覆蓋,相互絕緣。

金屬複合型的絕緣樹脂尤其在高溫下容易劣化,絕緣性能也隨之惡化。於是Q劣化,損耗顯著增加。鐵粉內產生的渦流成為損耗,鐵粉直徑變大則渦流也增大,損耗也增加。此時,因樹脂劣化而導致鐵粉間的絕緣劣化,一些鐵粉成為一個塊,就是產生較大渦流的原因。

覆蓋MCOIL™鐵粉的氧化膜與有機樹脂不同,是暴露於高溫下也幾乎不會產生劣化的材料。因此,金屬電感的課題之一即絕緣性能劣化、也就是最終的Q劣化得以大幅改善。此外,使用這種氧化膜的方法與磁導率μ的提升也息息相對。

-具體有哪些特性不同呢?

請看試驗資料。這是MCOIL™與其他公司的金屬複合標準型(STD)和高Q型材料在實施125℃與150℃的高溫存儲試驗後的結果,是按絕緣電阻、電感值、Q變化相對試驗時間繪製的。

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左上圖表示絕緣電阻的變化。初始值(0小時)請看作是個體的波動,其他圖也相同。從圖中可以確認,在經過500小時後的時間點,金屬複合型在125℃試驗中劣化到約百分之一、在150℃試驗中劣化到萬分之五以下,劣化明顯。而MCOIL™幾乎沒有劣化。

右上圖為電感值,金屬複合型可見輕微劣化趨勢,而MCOIL™則非常穩定。

左下圖為Q的變化。從圖中可見,金屬複合型在125℃條件下劣化較緩和,但在150℃條件下隨時間推移劣化越來越嚴重。如前所述,呈現絕緣劣化、Q也劣化的結果。

總之,可以明確的是,溫度越高,影響越大。這是高溫存儲試驗,因此沒有自身發熱。然而在實際的電路中,除環境溫度影響外,自身發熱也是導致劣化的重大要因。這些電感劣化對DC/DC轉換器特性產生怎樣的影響呢,來看效率比較資料。

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該圖是將實施150℃/500小時高溫存儲試驗前的試料與實施後的試料裝入實際的DC/DC轉換器電路,測量效率的結果。實線是試驗前的資料,因初始值的不同而效率有所差異,不過每種類型都發揮了相應的作用。橘黃色的金屬複合型為Q較高的類型,因此損耗少效率高。順便提一下,輸入輸出條件是高降壓比、相對嚴苛的條件。其他的確認事項還有Iout為2A時的電感表面溫度。

虛線表示使用150℃/500小時高溫存儲試驗後的電感的結果。MCOIL™可見些許效率降低,但毫無疑問可以實現2A的輸出。兩種金屬複合型,藍色STD品的表面溫度在1A的時間點與試驗前2A時相同,橘黃色Hi-Q品在1A的時間點產生破損。均如前所述,因Q劣化而效率下降,導致電感發熱增加,進而助長Q和可靠性的劣化。

-通過這樣的改善,金屬電感的優異特長部分可以用在電源電路中了。那接下來,稍微回到前面的話題,請您詳細介紹一下與鐵氧體的區別。

那我們邊看資料邊介紹。首先是直流疊加特性。

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左邊是我公司鐵氧體材料的電感資料。這是以前提到過的使用磁性樹脂的非遮罩電感,是飽和特性比較緩和的類型。右邊是前面介紹過的金屬材料的MCOIL™。兩者均可流過超過5A的直流疊加電流,鐵氧體材料的電感值緩和下降,金屬材料的如前所述,電感下降非常緩和。在特性比較中,可以說幾乎相同。

我想通過該資料說明的是,要得到同等的直流疊加特性,在該例中相對於鐵氧體的6×6mm尺寸,金屬電感僅需4×4mm尺寸即可。面積比較結果則金屬電感僅44%(一半以下),當然還可以降低高度。也就是說,有助於實現此次的關鍵字之一即小型化。

接下來是直流疊加的溫度特性資料。鐵氧體這邊隨著溫度升高,電感值下降的坡度越來越陡。而金屬這邊無論溫度怎樣,直流疊加特性幾乎不變,可以說是對溫度變化具有很穩定的特性。

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鐵氧體隨著溫度升高而易於飽和,因此需要考慮實際使用時的溫度條件進行設計。而金屬雖然電感值會因DC偏置電流的增加而減少,但設計時關於飽和幾乎無需考慮溫度的影響,這是很重要的要點。

最後,我們來看標稱電感值與直流疊加飽和電流和溫度上升額定電流的關係圖。

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這是前面提到可獲得幾乎相同的直流疊加特性的尺寸的電感比較例,到標稱電感值5µH左右之前,鐵氧體和金屬幾乎相同,然而如紅色虛線所示,金屬型當電感值提高時,直流疊加飽和電流比鐵氧體小。換句話說,當電感值高時,鐵氧體的特性更具優勢。這在右側的溫度上升額定電流也是同樣的。

那麼需要說明一下金屬型的5µH以上並非用點而是用虛線繪製的原因。這是因為,實際上我公司擁有的金屬型為4.7μH以下,未生產更高電感值的金屬型產品。因為現實情況是,比這更高電感值時鐵氧體更具優勢。

前面也提到過,金屬型的μ小,電感值很難提高。MCOIL™雖然通過材料的改善,實現了比金屬複合型更高的μ,然而還是不及鐵氧體。金屬型也可通過增加卷線來提高電感值,但會導致Rdc增加,發熱增加,因此並不現實。現實情況是,4.7μH可能是享受金屬型好處的界限。

-這樣說來,對於您最先提到的負載的低電壓大電流化與小型化要求,電源端希望使用較小電感值的小型電感。因此,在致力於開關頻率高速化的情況下,可以說金屬電感正合適吧。

好好總結一下的確如此,這是為充分發揮金屬電感具備的優良特性而進行改善,針對高速開關電源市場的做法。此次也是為了讓更多人瞭解現在的金屬電感是對高速開關電源的優異解決方案。

什麼是最適合開關電源的電容和電感 電感篇 -1-

什麼是最適合開關電源的電容和電感 電感篇 -2-

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