Zastosowanie formowanych minicewek indukcyjnych pozwala zaoszczędzić miejsce oraz poprawić integralność zasilania

Zmniejszenie strat mocy i poprawa sprawności zależą w dużej mierze od konstrukcji cewki indukcyjnej i materiału rdzenia. Formowane minicewki indukcyjne charakteryzują się mniejszą objętością, a jednocześnie oferują wszystkie zalety bardziej konwencjonalnych cewek indukcyjnych, a także zapewniają lepsze ekranowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), wyższą gęstość mocy i niższe straty w rdzeniu.

W tym artykule pokrótce opisano cewki indukcyjne oraz indukcyjność. Następnie przedstawiono formowane minicewki indukcyjne firmy Abracon LLC oraz omówiono ich dobór i zastosowanie.

Cewki indukcyjne i indukcyjność

Cewki indukcyjne są komponentami pasywnymi o dwóch zaciskach, które magazynują i odzyskują energię w postaci pola magnetycznego. Zwykle mają postać izolowanego drutu nawiniętego w formie zwojów. Prąd przyłożony do cewki indukcyjnej wytwarza pole magnetyczne proporcjonalne do prądu w cewce. Jeśli przyłożony prąd ulega zmianie, powstaje zmienne w czasie pole magnetyczne, które indukuje siłę elektromotoryczną (EMF) w przewodniku. Indukowane napięcie posiada biegunowość, która przeciwstawia się wywołującej je zmianie prądu. Cewki indukcyjne charakteryzowane są przez indukcyjność, która jest stosunkiem indukowanego napięcia do szybkości zmian prądu. Jednostką indukcyjności jest Henr (H). Można ją zwiększyć, tworząc cewkę o większej liczbie zwojów, zwiększając przekrój poprzeczny, zmniejszając długość cewki lub stosując rdzeń z materiału o większej przenikalności magnetycznej (ilustracja 1).

Ilustracja 1: czynniki, które decydują o indukcyjności cewki. (Źródło ilustracji: Abracon)

Przenikalność magnetyczna określa charakterystykę magnetyczną, a materiały rdzenia o wyższej przenikalności skutkują większą gęstością strumienia magnetycznego, co pozwala na zmagazynowanie większej ilości energii. Dlatego indukcyjność jest również proporcjonalna do przenikalności magnetycznej materiału rdzenia cewki indukcyjnej. Rdzeń o wysokiej przenikalności magnetycznej pozwala zmniejszyć rozmiary i wagę cewki indukcyjnej bez zmniejszania wartości indukcyjności, co z kolei pozwala uzyskać mniejszą i lżejszą obudowę.

Możliwe materiały rdzenia to m.in. powietrze, żelazo, stal, sproszkowane żelazo, sproszkowane metale, ceramika i ferryt. Ferryt to połączenie materiałów ceramicznych ze sproszkowanym tlenkiem żelaza lub innymi sproszkowanymi metalami. Celem jest uzyskanie materiału rdzenia o wysokiej przenikalności magnetycznej. Rdzenie proszkowe wykorzystują sproszkowane metale magnetyczne zmieszane ze spoiwem i powłoką. O przenikalności magnetycznej materiału rdzenia decyduje dobór metalu, spoiwa, a nawet obecność pęcherzyków powietrza w mieszance.

Specyfikacje cewki indukcyjnej

Krytyczne parametry dla cewek indukcyjnych używanych w rozwiązaniach mocy to: indukcyjność, rezystancja dla prądu stałego (DCR), prąd nasycenia, prąd wzrostu temperatury, prąd znamionowy, częstotliwość rezonansu własnego (SRF) i współczynnik dobroci (Q).

Rezystancja dla prądu stałego (DCR), czasami nazywana stratami w przewodzie, jest zmierzoną rezystancją cewki indukcyjnej z użyciem źródła prądu stałego. Wartość rezystancji dla prądu stałego (DCR) zmienia się proporcjonalnie do indukcyjności ze względu na długość i pole przekroju poprzecznego przewodu. Cewki indukcyjne mocy zwykle mają rezystancję dla prądu stałego o wartościach rzędu dziesiątek miliomów (mΩ), co zapewnia niskie straty przewodzenia. W większości przypadków specyfikacje podają rezystancję dla prądu stałego (DCR) jako wartość maksymalną.

Wraz ze wzrostem prądu płynącego przez cewkę indukcyjną, proporcjonalnie wzrasta pole magnetyczne, aż do osiągnięcia nasycenia. W tym momencie przenikalność magnetyczna zaczyna się zmniejszać. Wzrost prądu powyżej tego punktu powoduje spadek indukcyjności. Prąd nasycenia to prąd, przy którym rezystancja spada o określoną wartość indukcyjności znamionowej. Cewki indukcyjne mocy zwykle przyjmują spadek od 10 do 30% jako granicę specyfikacji.

Prąd wzrostu temperatury jest określany jako poziom prądu stałego, przy którym temperatura obudowy cewki indukcyjnej wzrasta o 40°C.

Prąd znamionowy jest określany jako dolna wartość prądu nasycenia lub prądu wzrostu temperatury, pozwalający na pracę cewki indukcyjnej poniżej dolnej z dwóch wartości granicznych.

Częstotliwość rezonansu własnego (SRF) to częstotliwość, przy której reaktancja pojemności pasożytniczej cewki indukcyjnej jest równa reaktancji. W tym momencie cewka indukcyjna działa jako równoległy obwód rezonansowy. Reaktancja netto wynosi zero, a impedancja jest wyjątkowo wysoka i całkowicie rezystancyjna. W zastosowaniach mocy cewki indukcyjne pracują zwykle poniżej wartości współczynnika częstotliwości rezonansu własnego (SRF).

Współczynnik dobroci cewki indukcyjnej jest miarą jej sprawności i jest stosunkiem jej reaktancji indukcyjnej do jej rezystancji przy danej częstotliwości. Wyższy współczynnik dobroci Q oznacza niższe straty i zachowanie bardziej zbliżone do idealnej cewki indukcyjnej.

Formowane cewki indukcyjne mocy

Formowane cewki indukcyjne mocy są urządzeniami do montażu powierzchniowego (SMD) wykorzystującymi technologię formowania do otoczenia uzwojenia cewki indukcyjnej. W przeciwieństwie do tradycyjnych cewek nawojowych, uformowany magnetyczny sproszkowany materiał indukcyjny jest wciskany do formy wokół uzwojenia z drutu, otaczając przewodniki. O przenikalności magnetycznej rdzenia cewki indukcyjnej decyduje mieszanka do formowania, zwykle w postaci sproszkowanego metalu i spoiwa. Wypełnienie ze sproszkowanego metalu zapewnia łagodniejszą reakcję nasycenia niż wypełniacze ferrytowe. Zapewnia ono również wysoce skuteczne ekranowanie magnetyczne, co skutkuje niskim upływem strumienia magnetycznego. Formowana cewka indukcyjna jest komponentem litym, odpowiednim do trudnych warunków środowiskowych, wymagających ochrony przed wilgocią, pyłem, wstrząsami i drganiami. Formowana cewka indukcyjna nie emituje hałasu, ponieważ nie posiada laminowanego rdzenia. Prosta, jednoczęściowa konstrukcja jest kompaktowa i lekka oraz zapewnia znakomitą stabilność mechaniczną.

Formowane minicewki indukcyjne firmy Abracon oferują wszystkie zalety formowanych cewek indukcyjnych i zamknięte są w niewielkiej obudowie o wysokości poniżej 3mm. Oprócz kompaktowych rozmiarów, formowane minicewki indukcyjne charakteryzują się wysoką gęstością mocy, niskimi stratami przewodzenia i stratami w rdzeniu oraz znakomitym ekranowaniem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Formowane minicewki indukcyjne z serii AOTA-B1412 oraz AOTA-B2012 są oferowane w zakresie indukcyjności od 0,11 do 2,2µH, a ich obudowy mają wymiary od 1,4 x 1,2mm (0,055 x 0,047in.) do 2,0 x 1,2mm (0,079 x 0,047in.) przy maksymalnej wysokości zaledwie 0,65mm (0,026in.). Omawiane cewki indukcyjne obsługują prądy znamionowe od 1,9 do 6,4A i są przystosowane do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +125°C.

Przykładem należącym do serii AOTA-B2012 jest formowana minicewka indukcyjna 0,11µH AOTA-B201208SR11MT firmy Abracon do montażu powierzchniowego (SMD) o prądzie znamionowym 5,6A i prądzie nasycenia 10A (ilustracja 2). Jej rezystancja dla prądu stałego wynosi 13mΩ, a częstotliwość rezonansu własnego (SRF) 185MHz. Jest ona montowana w obudowie 2,0mm x 1,2mm (0,079\" x 0,047\") i ma wysokość osadzenia 0,8mm (0,031\").

Ilustracja 2: typowa formowana minicewka indukcyjna AOTA-B201208SR11MT firmy Abracon w obudowie do montażu powierzchniowego (SMD) poniżej 3mm, która chroni przed czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgoć, kurz, wstrząsy i drgania. (Źródło ilustracji: Abracon)

W górnym zakresie indukcyjności serii AOTA-B2012 firmy Abracon znajduje się urządzenie AOTA-B201208S2R2MT o indukcyjności 2,2µH, prądzie znamionowym 1,8A, rezystancji dla prądu stałego (DCR) 130mΩ i częstotliwości rezonansu własnego (SRF) 42MHz. Wyższa indukcyjność wymaga większej liczby zwojów, co zwiększa rezystancję dla prądu stałego (DCR) i zmniejsza prąd znamionowy oraz częstotliwość rezonansu własnego (SRF) w porównaniu z urządzeniem AOTA-B201208SR11MT. Wymiary obudowy są takie same jak w przypadku urządzenia AOTA-B201208SR11MT: 2,00mm x 1,20mm (0,079\" x 0,047\"), z wysokością równą 0,8mm (0,031\").

Przykładami serii AOTA-B1412 firmy Abracon są urządzenia AOTA-B141206SR33MT i AOTA-B141206SR47MT. Te formowane minicewki indukcyjne mają najmniejszą obudowę o wymiarach 1,4mm x 1,2mm (0,055\" x 0,047\") z wysokością wynoszącą zaledwie 0,65mm (0,026\"). Urządzenie AOTA-B141206SR33MT ma indukcyjność 0,33µH, prąd znamionowy 3,5A, rezystancję dla prądu stałego (DCR) 32mΩ i częstotliwość rezonansu własnego (SRF) 120MHz. Urządzenie AOTA-B141206SR47MT ma indukcyjność 0,47µH, prąd znamionowy 2,9A, rezystancję dla prądu stałego (DCR) 41mΩ i częstotliwość rezonansu własnego (SRF) 115MHz.

Zastosowania formowanych minicewek indukcyjnych

Pomimo niewielkich rozmiarów, formowane minicewki indukcyjne Abracon obsługują znaczne moce przy niskich stratach rdzenia i przewodzenia, oferując jednocześnie znakomite ekranowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Dzięki tym cechom są one idealnym wyborem, jeśli chodzi o zaspokojenie bezprecedensowego zapotrzebowania na przetwornice mocy w coraz mniejszych rozmiarach.

Typowe zastosowania tych komponentów obejmują odsprzęganie zasilania, filtrowanie oraz przetwornice prądu stałego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: typowe zastosowania formowanych minicewek indukcyjnych firmy Abracon obejmują odsprzęganie zasilania, filtrowanie oraz przetwornice prądu stałego. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Do odsprzęgania układów scalonych od szyny zasilającej wykorzystywana jest impedancja cewki indukcyjnej, która zmienia się w funkcji częstotliwości, w połączeniu z komplementarną charakterystyką impedancyjną kondensatora, czyli zdolnością do tłumienia sygnałów i szumów o wysokiej częstotliwości, co pozwala izolować szyny zasilające od wejść zasilania układu scalonego. Niska rezystancja dla prądu stałego (DCR) i wysoka częstotliwość rezonansu własnego (SRF) to ważne cechy cewki indukcyjnej.

Filtry kontrolują odpowiedź częstotliwościową ścieżki sygnałowej i mogą być skonfigurowane jako dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, pasmowoprzepustowe lub pasmowozaporowe. Filtry indukcyjno-kondensatorowe (LC) zapewniają pasywną selektywność częstotliwości dla urządzeń niskiej mocy, które nie wymagają urządzeń aktywnych.

Cewki indukcyjne są podstawowym elementem magazynującym energię w przetwornicach prądu stałego. Magazynują one energię, gdy przełącznik jest zamknięty i odzyskują ją, gdy łącznik jest otwarty.

Podsumowanie

Formowane minicewki indukcyjne firmy Abracon oferują zalety formowanych cewek indukcyjnych w kompaktowej obudowie mniejszej niż 3mm. Pomimo niewielkich rozmiarów mogą one obsługiwać wysokie poziomy mocy przy niskich stratach rdzenia i przewodzenia, zapewniając doskonałą integralność zasilania w małych urządzeniach elektronicznych.

Źródło: Zastosowanie formowanych minicewek indukcyjnych pozwala zaoszczędzić miejsce, zmniejszyć straty oraz poprawić integralność zasilania i sprawność

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.