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隨著器件的小型化,對(duì)于SMD功率電感的直流疊加特性要求越來(lái)越高。電感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和使用高Bs NiZn鐵氧體材料是提高SMD功率電感的直流疊加特性的有效途徑。配方和工藝參數(shù)優(yōu)化是提高NiZn鐵氧體材料的Bs的主要方法。天通公司開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)高直流疊加SMD功率電感用的高Bs NiZn鐵氧體材料系列。
1 引言
軟磁鐵氧體主要包括MnZn、NiZn鐵氧體材料兩大系列,主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、電源及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域,是電子工業(yè)的基礎(chǔ)功能材料。與MnZn鐵氧體相比,NiZn鐵氧體具有高電阻率、高使用頻率等特點(diǎn),適用于制成各種SMD功率電感。
隨著電子移動(dòng)終端變得越來(lái)越來(lái)小,越來(lái)越薄,對(duì)應(yīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的SMD功率電感也需更小,更薄。另外,隨著轉(zhuǎn)換頻率越來(lái)越高,功能越來(lái)越多,額定電流的要求也越來(lái)越高,從而對(duì)于功率電感的直流偏置特性的要求也越來(lái)越高。這樣對(duì)于SMD功率電感的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作功率電感的NiZn鐵氧體材料的電磁性能也提出了更高的要求。
本文先闡述了SMD功率電感及其對(duì)直流疊加特性的要求,然后介紹了電感磁芯公司zui近在對(duì)應(yīng)高直流疊加SMD功率電感用高Bs NiZn鐵氧體材料的研發(fā)情況。
2 SMD功率電感介紹
2.1 SMD功率電感的結(jié)構(gòu)與直流偏置特性
如圖1所示,SMD功率電感按照結(jié)構(gòu)來(lái)分可以分為無(wú)屏蔽式方形功率電感和傳統(tǒng)屏蔽式結(jié)構(gòu)功率電感兩大類。無(wú)屏蔽式方形功率電感主要由DRS core和銅線組成,采用磁膠取代RI core,磁膠一般采用鐵氧體磁粉加入樹(shù)脂配制而成[1];傳統(tǒng)屏蔽式結(jié)構(gòu)功率電感一般為帶磁罩式的設(shè)計(jì),主要由磁芯(DR core和RI core)和銅線組成。
圖2為無(wú)屏蔽式方形功率電感與傳統(tǒng)屏蔽式功率電感的直流偏置特性對(duì)比測(cè)試結(jié)果[1]。由圖可見(jiàn),無(wú)屏蔽式方形功率電感的直流偏置特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏蔽式功率電感。無(wú)屏蔽式方形功率電感的結(jié)構(gòu)為閉合磁路設(shè)計(jì),往往產(chǎn)品漏磁較少,產(chǎn)品的損耗較小,直流偏置特性好。
可見(jiàn),通過(guò)電感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化可以提高SMD功率電感的直流偏置特性。
2.2 SMD功率電感的直流偏置特性與NiZn鐵氧體材料
直流電流流經(jīng)線圈會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)電流的磁通。一旦超過(guò)允許的磁通密度,電感量就會(huì)降低。直流疊加的飽和電流Is,可以用公式表示[2]:
Is=Bs×S×N/L
式中,Bs為磁心的飽和磁通密度,S為磁心的磁路zui小截面積,L為電感量。
磁心的飽和磁通密度Bs取決于NiZn鐵氧體材料。從上式可以看出,一般說(shuō)來(lái),NiZn鐵氧體材料的Bs越高,對(duì)應(yīng)的SMD功率電感的直流偏置特性越好。另外,較大的ΔB=Bs-Br也是提高NiZn鐵氧體材料的直流偏置特性的一個(gè)方向。較高的Bs和較低的Br使磁芯的飽和磁滯回線向橫軸方向傾斜,磁芯飽和磁化需要更大的外加場(chǎng),從而改善了磁芯的直流疊加特性[3]。
3 高Bs NiZn鐵氧體材料
3.1 影響材料的Bs的主要因素
NiZn鐵氧體的Bs主要取決于材料的配方對(duì)應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms,要想得到較高的Bs,就必須使用Ms較高的材料配方。圖3為NiZn鐵氧體配方對(duì)應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms特性三角分布[4]。由圖可見(jiàn),過(guò)量的NiO、Zn和Fe2O3均不能得到較高的Bs,高Bs NiZn鐵氧體的*配方點(diǎn)在30%NiO、20%Zn和50%Fe2O3附近。
影響NiZn鐵氧體材料的Bs因素還有砂磨時(shí)間、成型密度、燒結(jié)溫度等工藝條件[5]。
表1為砂磨時(shí)間對(duì)于NiZn鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs的影響。實(shí)驗(yàn)表明,材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與砂磨粒徑的大小有重要關(guān)系,也就是存在一個(gè)*的顆粒粒度及其分布。
表2為壓制密度和燒結(jié)溫度對(duì)于NiZn鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs的影響。把同一種材料分別壓制成4種密度的相同生環(huán),放入同一爐中燒結(jié),采用了1050℃、1070℃以及1090℃三種溫度來(lái)進(jìn)行燒結(jié)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),隨著密度的升高,磁心的Bs在不同的燒結(jié)溫度中都呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì),也就是說(shuō),在不同壓制密度實(shí)驗(yàn)中,密度越大,它的Bs也就越大。
表 1 砂磨時(shí)間對(duì)于NiZn鐵氧體材料的飽和
磁通密度Bs的影響
砂磨時(shí)間 粒徑分析 Saturation
Magnetic(mt)
Concentration Mean Diameter(mu)
實(shí)驗(yàn)1 150 108 1.59 450
實(shí)驗(yàn)2 120 110 1.68 421
實(shí)驗(yàn)3 100 108 1.79 413
實(shí)驗(yàn)4 80 113 1.82 411
表 2 壓制密度和燒結(jié)溫度對(duì)于NiZn鐵氧體材料的
飽和磁通密度Bs的影響
對(duì)應(yīng)編號(hào) 壓制密度 Bs
1050℃ 1070℃ 1090℃
密度范圍(g/cm3) 1 3.0~3.1 395.5 394.1 407.2
2 3.1~3.2 397.8 395.8 412.7
3 3.2~3.3 412.4 412.5 415.3
4 3.3~3.4 422.6 435.7 439.4
3.2 TDG高Bs NiZn鐵氧體材料介紹
電感磁芯公司根據(jù)客戶的需求,通過(guò)優(yōu)選主配方和合適的工藝條件,開(kāi)發(fā)了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B),對(duì)應(yīng)SMD功率電感的直流偏置特性。如表3所示,高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)的Bs相對(duì)于天通公司傳統(tǒng)的TN40H材料有顯著的提升。如圖4所示,TN35B材料的直流偏置特性明顯優(yōu)于與TDG傳統(tǒng)TN40H材料。
4 總結(jié)
(1)無(wú)屏蔽式方形功率電感的直流偏置特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏蔽式功率電感。通過(guò)電感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化可以提高SMD功率電感的直流偏置特性。
(2)一般說(shuō)來(lái),NiZn鐵氧體材料的Bs越高,對(duì)應(yīng)的SMD功率電感的直流偏置特性越好。
(3)NiZn鐵氧體的Bs主要取決于材料的配方對(duì)應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms和關(guān)鍵工藝參數(shù)。
(4)電感磁芯公司根據(jù)客戶的需求,開(kāi)發(fā)了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B),對(duì)應(yīng)SMD功率電感的直流偏置特性。