Gebruik minigegoten inductors om ruimte te besparen, verliezen te beperken en de integriteit en efficiëntie van de stroom te verbeteren

Inductors zijn een cruciale component in spanningsconvertors en regelaarontwerpen. Omdat ze energie opslaan en terugwinnen, zitten ze in bijna elk circuit dat stroom regelt. Omdat toepassingen steeds kleiner en compacter worden en steeds energiezuiniger moeten zijn, moeten ontwerpers steeds kritischer zijn bij de keuze van een inductor om aan deze trends te voldoen en toch hogere stromen aan te kunnen.

Vermindering van stroomverliezen en verbetering van de efficiëntie zijn sterk afhankelijk van het ontwerp en het kernmateriaal van een inductor. Het gebruik van minigegoten inductors vermindert bijvoorbeeld het inductorvolume, terwijl het alle voordelen biedt van conventionelere inductors, samen met een betere afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI), een hogere stroomdichtheid en lagere kernverliezen.

Dit artikel beschrijft in het kort inductors en inductantie. Vervolgens worden de minigegoten inductors van Abracon LLC geïntroduceerd en worden de selectie en toepassing ervan besproken.

Inductors en inductantie

Inductors zijn passieve componenten met twee uitgangen die energie opslaan en terugwinnen in de vorm van een magnetisch veld. Ze hebben meestal de vorm van een geïsoleerde draad die op een spoel is gewikkeld. Een stroom die op de inductor wordt gezet, creëert een magnetisch veld dat evenredig is met die stroom binnen de spoel. Als de toegepaste stroom verandert, creëert dit een in de tijd variërend magnetisch veld dat een elektromotorische kracht (EMF) induceert in de geleider. De geïnduceerde spanning heeft een polariteit die tegengesteld is aan de stroomverandering die de spanning heeft veroorzaakt. Inductors worden gekarakteriseerd door hun inductantie, wat de verhouding is tussen de geïnduceerde spanning en de snelheid waarmee de stroom verandert. De Henry (H) is de eenheid van inductantie, die kan worden verhoogd door een spoel met meer windingen te maken, een grotere doorsnede te bouwen, de spoellengte te verkleinen of een kern met een materiaal met een hogere doorlaatbaarheid te gebruiken (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Dit zijn de factoren die de inductie van een spoel bepalen. (Bron afbeelding: Abracon)

Permeabiliteit is een magnetische eigenschap en kernmaterialen met een hogere permeabiliteit genereren een hogere dichtheid van magnetische flux, waardoor meer energie kan worden opgeslagen. Daarom is inductantie ook evenredig met de permeabiliteit van het kernmateriaal van de inductor. Een hoogdoorlatende kern kan de afmetingen en het gewicht van de inductor verkleinen zonder de inductiewaarde te verlagen, wat resulteert in een kleiner en lichter totaalpakket.

Kernmaterialen zijn lucht, ijzer, staal, ijzerpoeder, metaalpoeder, keramiek en ferriet. Ferrieten zijn keramische materialen gecombineerd met poedervormig ijzeroxide en/of andere poedervormige metalen om een kernmateriaal met hoge doorlaatbaarheid te verkrijgen. Poederkernen gebruiken magnetische metalen in poedervorm gemengd met een bindmiddel en een coating. De keuze van het metaal, het bindmiddel en zelfs de opname van luchtbellen in het mengsel bepaalt de doorlaatbaarheid van het resulterende kernmateriaal.

Specificaties inductor

De kritieke specificaties voor inductors die worden gebruikt in stroomtoepassingen zijn inductantie, DC-weerstand (DCR), verzadigingsstroom, temperatuurstijgstroom, nominale stroom, zelfresonantiefrequentie (SRF) en kwaliteitsfactor (Q).

De DCR, ook wel draadverlies genoemd, is de gemeten weerstand van een inductor voor een DC-bron. De DCR varieert evenredig met de inductantie als gevolg van de lengte en de doorsnede van de draad. Stroominductors hebben over het algemeen een DCR in de tientallen milliohms (mΩ) om lage geleidingsverliezen te garanderen. In de meeste gevallen wordt de DCR gespecificeerd als maximumwaarde.

Wanneer de stroom door een inductor toeneemt, neemt het magnetische veld evenredig toe totdat het verzadigd raakt; op dit punt begint de permeabiliteit af te nemen. Stroomstijgingen voorbij dit punt zorgen ervoor dat de inductantie afneemt. De verzadigingsstroom is de stroom waarbij de weerstand een bepaalde hoeveelheid van de nominale inductantie daalt. Stroominductors gebruiken meestal een afname van 10 tot 30% als specificatiegrens.

De temperatuurstijgingsstroom wordt gespecificeerd als het DC-niveau waarbij de behuizingtemperatuur van een inductor met 40 °C toeneemt.

De nominale stroom wordt gespecificeerd als de laagste waarde van de verzadigingsstroom of de temperatuurstijgingsstroom, waardoor een inductor kan werken onder de laagste van de twee limieten.

SRF is de frequentie waarbij de reactantie van de parasitaire capaciteit van een inductor gelijk is aan de reactantie. Op dit punt werkt een inductor als een parallel resonantiekring. De netto reactantie is nul en de impedantie is extreem hoog en volledig resistent. Inductors worden meestal onder hun SRF gebruikt in stroomtoepassingen.

De Q van een inductor is een maat voor het rendement en is de verhouding tussen de inductieve reactantie en de weerstand bij een bepaalde frequentie. Een hogere Q-waarde betekent lagere verliezen en hoe dichter het gedrag van een inductor dat van een ideale inductor benadert.

Gegoten stroominductors

Gegoten stroominductors zijn SMD-producten (surface mount devices) die gebruikmaken van giettechnologie om de spoel van een inductor te omgeven en in te kapselen. In tegenstelling tot traditionele draadgewonden inductors wordt het magnetische poedermateriaal van een gegoten inductor in een mal rond een draadspoel geperst die de geleiders omsluit. De gietverbinding, meestal een metaalpoeder en een bindmiddel, bepaalt de doorlaatbaarheid van de inductorkern. De metaalvulling in poedervorm biedt een zachtere verzadigingsrespons dan ferrietvullers. Het biedt ook een zeer effectieve magnetische afscherming, wat resulteert in een lage magnetische flux-lekkage. Een gegoten inductor is een solide component die geschikt is voor ruwe omgevingen en bescherming biedt tegen vocht, stof, schokken en trillingen. Een gegoten inductor produceert geen akoestische ruis omdat het geen gelamineerde kern heeft. De eenvoudige constructie uit één stuk biedt uitstekende mechanische stabiliteit en is compact en licht.

De minigegoten inductors van Abracon bieden alle voordelen van gevormde inductors in een kleine verpakking van minder dan 3 millimeter (mm). Naast hun compacte afmetingen hebben minigietspoelen een hoge stroomdichtheid, lage kern- en geleidingsverliezen en uitstekende EMI-afscherming.

De AOTA-B1412 en AOTA-B2012-serie minigegoten inductors worden aangeboden met een inductiebereik van 0,11 tot 2,2 micro Henries (µH) en hebben verpakkingsafmetingen van 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 inch (in.)). tot 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 in.) met een maximale hoogte van slechts 0,65 mm (0,026 in.). Deze inductors verwerken nominale stromen van 1,9 tot 6,4 ampère (A) en zijn geschikt voor een temperatuurbereik van -40 °C tot 125 °C.

Een voorbeeld uit de AOTA-B2012-serie is de Abracon AOTA-B201208SR11MT, een 0,11 µH SMD minigegoten inductor met een nominale stroom van 5,6 A en een verzadigingsstroom van 10 A (Afbeelding 2). Het heeft een DCR van 13 mΩ en een SRF van 185 megahertz (MHz). Het zit in een behuizing van 2,0 mm x 1,2 mm (0,079" x 0,047") met een zithoogte van 0,8 mm (0,031").

Afbeelding 2: De AOTA-B201208SR11MT is een typische minigegoten inductor van Abracon in een SMD-pakket van minder dan 3 mm dat bescherming biedt tegen omgevingsfactoren zoals vocht, stof, schokken en trillingen. (Bron afbeelding: Abracon)

In het bovenste inductantiebereik van de Abracon AOTA-B2012-serie bevindt zich de AOTA-B201208S2R2MT, met een inductie van 2,2 µH, een nominale stroom van 1,8 A, een DCR van 130 mΩ en een SRF van 42 MHz. De hogere inductantie vereist een groter aantal wikkelingen, wat de DCR verhoogt en de nominale stroom en SRF verlaagt in vergelijking met de AOTA-B201208SR11MT. De afmetingen van het pakket zijn dezelfde als die van de AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm (0,079" x 0,047") met een hoogte van 0,8 mm (0,031").

Voorbeelden van de Abracon AOTA-B1412-serie zijn de AOTA-B141206SR33MT en de AOTA-B141206SR47MT. Deze minigegoten inductors hebben de kleinste behuizing met afmetingen van 1,4 mm x 1,2 mm (0,055" x 0,047") en een pakkethoogte van slechts 0,65 mm (0,026"). De AOTA-B141206SR33MT heeft een inductie van 0,33 µH, een nominale stroom van 3,5 A, een DCR van 32 mΩ en een SRF van 120 MHz. De AOTA-B141206SR47MT heeft een inductie van 0,47 µH, een nominale stroom van 2,9 A, een DCR van 41 mΩ en een SRF van 115 MHz.

Toepassingen voor minigegoten inductors

Ondanks hun kleine afmetingen verwerken de Abracon minigegoten inductors aanzienlijke stroom met lage kern- en geleidingsverliezen en bieden ze een superieure EMI-afscherming. Door deze eigenschappen zijn ze ideaal om te voldoen aan de ongekende vraag naar stroomconvertors in steeds kleinere vormfactoren.

Typische toepassingen voor deze componenten zijn onder meer stroomontkoppeling, filtering en DC/DC-convertors (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Typische Abracon minigegoten inductortoepassingen zijn onder meer stroomontkoppeling, filtering en DC/DC-convertors. (Bron afbeelding: Art Pini)

De ontkoppeling van geïntegreerde circuits van de voedingsbus maakt gebruik van de variabele impedantie van de inductor in combinatie met de complementaire impedantiekarakteristieken van een condensator om hoogfrequente signalen en ruis te dempen en te isoleren van de voedingsingangen van de geïntegreerde circuits. Een lage DCR en een hoge SRF zijn de belangrijke eigenschappen van een inductor.

Filters regelen de frequentierespons van het signaalpad en kunnen worden geconfigureerd als laag, hoog, bandpass of bandstop. Inductorcondensatorfilters (LC-filters) bieden passieve frequentieselectieve reacties voor apparaten met lage stroom waarvoor geen actieve apparaten nodig zijn.

Inductors zijn het primaire energieopslagelement in DC/DC-convertors. Ze slaan energie op terwijl de schakelaar gesloten is en winnen die terug wanneer het opengaat.

Conclusie

Abracon minigegoten inductrors bieden de voordelen van gevormde inductors in een compacte verpakking kleiner dan 3 mm. Ondanks hun kleine formaat kunnen ze aanzienlijke stroomniveaus aan met lage kern- en geleidingsverliezen, waardoor ze een uitstekende stroomintegriteit garanderen in kleine elektronische apparaten.