Valetut pienoisinduktorit säästävät tilaa, pienentävät häviöitä sekä parantavat tehointegriteettiä ja energiatehokkuutta

Induktorit ovat erittäin tärkeitä komponentteja jännitemuuntimille ja jännitteensäätimille. Koska ne varastoivat ja palauttavat energiaa, niitä käytetään lähes kaikissa virtaa säätelevissä piireissä. Sovellukset kehittyvät jatkuvasti kohti pienempiä, kompaktimpia ja energiatehokkaampia ratkaisuita. Näin ollen suunnittelijoiden pitää harkita tarkasti näiden trendien mukaista induktoria, joka pystyy lisäksi käsittelemään korkeita virtamääriä.

Tehohäviöiden vähentäminen ja tehokkuuden parantaminen ovat vahvasti sidoksissa induktorin rakenteeseen ja sydämen materiaaliin. Esimerkiksi valetuilla pienoisinduktoreilla voidaan pienentää induktorin tilavuutta samalla, kun saadaan kaikki tavanomaisen induktorin hyödyt, sekä parempi suojaus sähkömagneettisia häiriöitä (Electromagnetic Interference, EMI) vastaan, korkeampi tehotiheys ja pienemmät sydämen häviöt.

Tässä artikkelissa kuvaillaan lyhyesti induktoreja ja induktanssia. Sitten siinä käsitellään Abracon LLC:n valettuja pienoisinduktoreita sekä niiden valintaa ja käyttöä.

Induktorit ja induktanssi

Induktorit ovat kaksinapaisia passiivisia komponentteja, jotka varastoivat ja palauttavat energiaa magneettisen kentän avulla. Ne muodostuvat yleensä kelaksi kierretystä eristetystä johtimesta. Induktoriin syötetty virta luo magneettikentän, joka on suoraan verrannollinen kelassa kulkevaan virtaan. Jos syötetty virta muuttuu, syntyy ajan myötä muuttuva magneettikenttä, joka synnyttää johtimeen vastasähkömotorisen voiman (Electromotive Force, EMF). Indusoidulla jännitteellä on vastakkainen polariteetti, joka vastustaa sen muodostaneen sähkövirran muutosta. Induktoreiden keskeinen tekninen ominaisuus on niiden induktanssi, joka merkitsee indusoidun jännitteen ja virran muutosnopeuden välistä suhdetta. Induktanssin yksikkö on henry (H), ja tätä arvoa voidaan kasvattaa lisäämällä kelan kierroksia, kasvattamalla poikkipinta-alaa, lyhentämällä kelaa tai käyttämällä materiaaliltaan korkeamman permeabiliteetin sydäntä (kuva 1).

Kuva 1: Kelan induktanssin määrittävät tekijät. (Kuvan lähde: Abracon)

Permeabiliteetti on magneettinen ominaisuus. Korkeamman permeabiliteetin sydänmateriaalit synnyttävät magneettivuon korkeammalla tiheydellä, minkä ansiosta siihen voidaan varastoida enemmän energiaa. Induktanssi on näin ollen myös verrannollinen induktorin sydänmateriaalin permeabiliteettiin. Korkean permeabiliteetin sydän pienentää induktorin kokoa ja painoa vähentämättä kuitenkaan sen induktanssiarvoa. Tämä mahdollistaa pienemmät ja kevyemmät komponentit.

Sydänmateriaaleihin kuuluvat ilma, rauta, teräs, rautajauhe, metallijauhe, keramiikka ja ferriitti. Ferriitit ovat keraamisia materiaaleja, joihin on yhdistetty jauhemuotoista rautaoksidia ja/tai muita metallijauheita sydänmateriaalin permeabiliteetin kasvattamiseksi. Jauhemuotoisissa sydämissä käytetään magneettisia metalleja, joihin on sekoitettu sidosainetta ja joka on sen jälkeen pinnoitettu. Metallin ja sidosaineen valinta ja jopa sekoituksessa olevat ilmakuplat määrittävät tuloksena saatavan sydänmateriaalin permeabiliteetin.

Induktorin tekniset tiedot

Tehosovelluksissa käytettävien induktoreiden kriittiset tekniset tiedot ovat induktanssi, DC-resistanssi (DCR), kyllästysvirta, lämpötilan nousuvirta, virtaluokitus, omaresonanssitaajuus (Self-Resonant Frequency, SRF) ja laatutekijä eli ns. Q-luku.

DCR, jota kutsutaan joskus virtalämpöhäviöksi, on induktorin mitattu resistanssi DC-virralle. DCR vaihtelee suhteessa induktanssiin johtimen pituuden ja poikkipinta-alan seurauksena. Tehoinduktoreiden DCR-arvo on yleensä kymmeniä milliohmeja (mΩ) johtumishäviöiden minimoimiseksi. Useimmissa tapauksissa DCR-arvo määritetään enimmäisarvona.

Kun induktorin läpi kulkeva virta kasvaa, magneettikenttä kasvaa suhteessa virtaan, kunnes saavutetaan kyllästystaso. Tällöin permeabiliteetti alkaa laskea. Virran kasvu tästä eteenpäin laskee induktanssia. Kyllästysvirta on virta, jolla resistanssi laskee tietyn määrän nimellisinduktanssiin nähden. Tehoinduktorit käyttävät nimellisrajana yleensä 10–30 prosentin (%) laskua.

Lämpötilan nousuvirta määritellään DC-tasoksi, jolla induktorin kotelon lämpötila nousee 40 °C.

Virtaluokitus määritellään niin, että kyllästysvirrasta ja lämpötilan nousuvirrasta valitaan matalampi arvo, eli induktorin toiminta sallitaan näistä raja-arvoista matalammalla.

SRF on taajuus, jolla induktorin loiskapasitanssin reaktanssi on yhtä suuri kuin reaktanssi. Tällöin induktori toimii rinnakkaisena resonanssipiirinä. Nettoreaktanssi on nolla, ja impedanssi on erittäin korkea ja täysin resistiivinen. Induktoreja käytetään tehosovelluksissa yleensä SRF-arvoa pienemmällä taajuudella.

Induktorin tehokkuutta mitataan sen Q-luvulla, joka on induktiivisen reaktanssin ja resistanssin välinen suhde tietyllä taajuudella. Korkeampi Q-luku merkitsee pienempiä tehohäviöitä ja sitä, että induktorin toiminta on lähempänä ihanteellista induktoria.

Valetut tehoinduktorit

Valetut tehoinduktorit ovat pintaliitoskomponentteja (Surface-Mounted Device, SMD), joissa käytetään valamistekniikkaa induktiokelan koteloimiseen. Toisin kuin perinteisissä kierrettyä johdinta käyttävissä induktoreissa, valetun induktorin magneettinen jauhemateriaali puristetaan muotiksi johdinkelan ympärille. Valumassa, joka koostuu yleensä metallijauheesta ja sidosaineesta, määrittää induktorin sydämen permeabiliteetin. Metallijauhe tarjoaa täyteaineena pehmeämmän kyllästysvasteen kuin ferriittitäytteet. Se mahdollistaa myös erittäin tehokkaan magneettisuojauksen, mikä vähentää magneettivuon vuotamista. Valettu induktori on haastaviin olosuhteisiin sopiva kiinteä komponentti, jonka rakenne suojaa sitä kosteudelta, pölyltä, iskuilta ja tärinältä. Valettu induktori ei synnytä akustista melua, koska siinä ei ole levysydäntä. Yksinkertainen yksiosainen rakenne tarjoaa erinomaisen mekaanisen stabiilisuuden kompaktissa ja kevyessä muodossa.

Abraconin valetut pienoisinduktorit tarjoavat kaikki valettujen induktoreiden hyödyt pienessä kotelossa, jonka kokoluokka on alle 3 millimetriä (mm). Kompaktin kokonsa lisäksi valetut pienoisinduktorit tarjoavat korkean tehotiheyden, matalat sydän- ja johtamishäviöt sekä erinomaisen EMI-suojauksen.

AOTA-B1412- ja AOTA-B2012-sarjojen valettujen pienoisinduktorien induktanssit ovat 0,11–2,2 mikrohenryä (µH) ja mitat 1,4 x 1,2 mm – 2,0 x 1,2 mm korkeuden ollessa enintään 0,65 mm. Näiden induktorien virtaluokitus on 1,9–6,4 ampeeria (A), ja niiden käyttölämpötila-alue on −40…+125 °C.

Yksi AOTA-B2012-sarjan esimerkki on Abracon AOTA-B201208SR11MT, 0,11 µH:n valettu SMD-pienoisinduktori, jonka virtaluokitus on 5,6 A ja kyllästysvirta 10 A (kuva 2). Sen DCR-arvo on 13 mΩ ja SRF-arvo 185 megahertsiä (MHz). Se käyttää 2,0 x 1,2 mm:n koteloa, jonka asennuskorkeus on 0,8 mm.

Kuva 2: AOTA-B201208SR11MT on tyypillinen Abraconin valettu pienoisinduktori alle 3 mm:n SMD-kotelossa, joka suojaa komponenttia eri ympäristötekijöiltä, kuten kosteudelta, pölyltä, iskuilta ja tärinältä. (Kuvan lähde: Abracon)

Abraconin AOTA-B2012-sarjan induktanssialueen ylempään päähän kuuluu AOTA-B201208S2R2MT induktanssiarvollaan 2,2 µH, virtaluokituksella 1,8 A, DCR-arvolla 130 mΩ ja SRF-arvolla 42 MHz. Korkeampi induktanssi vaatii suuremman määrän kierroksia, mikä kasvattaa DCR-arvoa sekä laskee nimellisvirtaa ja SRF-arvoa verrattuna AOTA-B201208SR11MT-induktoriin. Kotelon mitat ovat samat kuin AOTA-B201208SR11MT-piirin, eli 2,00 x 1,20 mm, ja korkeus 0,8 mm.

Esimerkkejä Abraconin AOTA-B1412-sarjasta ovat AOTA-B141206SR33MT ja AOTA-B141206SR47MT. Nämä valetut pienoisinduktorit tarjoavat pienimmän kotelon mitoilla 1,4 x 1,2 mm ja matalalla 0,65 mm:n korkeudella. AOTA-B141206SR33MT-induktorin induktanssi on 0,33 µH, virtaluokitus 3,5 A, DCR-arvo 32 mΩ ja SRF-arvo 120 MHz. AOTA-B141206SR33MT-induktorin induktanssi on 0,47 µH, virtaluokitus 2,9 A, DCR-arvo 41 mΩ ja SRF-arvo 115 MHz.

Valettujen pienoisinduktoreiden sovelluksia

Abraconin valettujen pienoisinduktoreiden pienestä koosta huolimatta ne voivat käsitellä paljon sähkötehoa kiitos alhaisten sydän- ja johtamishäviöiden sekä tehokkaan EMI-suojauksen. Näiden ominaisuuksien ansiosta ne ovat ihanteellisia vastaamaan jatkuvasti pienempien tehomuunninten ennennäkemättömään kysyntään.

Näiden komponenttien tyypillisiä käyttökohteita ovat virransyötön erotus, suodatus sekä DC/DC-muuntajat (kuva 3).

Kuva 3: Abraconin valettujen pienoisinduktoreiden tyypillisiä käyttökohteita ovat virransyötön erotus, suodatus sekä DC/DC-muuntajat. (Kuvan lähde: Art Pini)

Integroitujen piirien erotus virransyöttöväylästä hyödyntää induktorin taajuuden mukaan muuttuvaa impedanssia ja kondensaattorin täydentäviä impedanssiominaisuuksia korkeataajuisten signaalien ja kohinan vaimentamiseksi, jolloin ne voidaan eristää integroidun piirin tehotuloista. Matala DCR ja korkea SRF ovat tärkeitä ominaisuuksia induktorille.

Suodattimet ohjaavat signaalipolun taajuusvastetta, ja niiden tyypiksi voidaan määrittää alipäästö, ylipäästö, kaistanpäästö tai kaistanesto. Induktori–kondensaattorisuodattimet (LC) tarjoavat passiivisen taajuusselektiivisen vasteen matalavirtaisille laitteille, jotka eivät vaadi aktiivisia komponentteja.

Induktorit ovat DC/DC-muuntajien ensisijaisia energianvarastointielementtejä. Ne varastoivat energiaa kytkimen ollessa suljettuna ja palauttavat sitä, kun se on avoinna.

Yhteenveto

Abraconin valetut pienoisinduktorit tarjoavat valettujen induktoreiden hyödyt alle 3 mm:n kompaktissa kotelossa. Pienestä koostaan huolimatta niiden teholuokitus on korkea kiitos alhaisten sydän- ja johtamishäviöiden. Tämä mahdollistaa erinomaisen tehointegriteetin pienissä sähkölaitteissa.