新型电感器磁芯满足业界对更小、更安静、更可靠电源所需
作者：Patrik Kalbermatten，基美电子（KEMET）
工程复合磁芯使电感器制造商可将大电感集成到小体积中。FlakeComposite新技术将磁芯性能提升到了一个新的水平，并增加了额外的机械弹性，可支持新型的超薄器件。
功率电感器是用于管理开关转换器中能量流的关键器件，可确保平稳输电并帮助协调换向。为了保持电流流动足够长的时间，而使电路在主开关关闭时能正确工作，工程师需要选择合适的电感值来存储足够的能量。
虽然为了支持连续或不连续电流模式（CCM或CDM）或谐振工作，电感值的计算会根据转换器的类型而有所不同，但对于给定的额定电流，电感值与尺寸相比通常要大。此外，还需要在预期频率范围内提供稳定性能，而对于汽车或航空航天等应用来说，还需要提供温度稳定性并提高最高工作温度。
工程电感器达到极限
电感器的属性受物理定律限制。对磁芯材料进行精心设计，有助于将这些限制推向极限，从而为工程师的应用提供最佳参数组合。通常使用的磁芯材料包括锰锌（MnZn）和镍锌（NiZn）铁氧体，以及由特殊配方合金颗粒（由绝缘粘合剂隔开）所形成的金属粉末芯。尽管通过增加磁芯体积来解决电源应用很困难，但薄膜电感器也可以通过沉积钴基合金来制造，从而实现具有良好饱和性能的高磁导率。
尽管存在一些缺点，但铁氧体磁芯具有高磁导率——NiZn材料高达300左右，而MnZn则会更高。这些材料往往很脆，因此不适合嵌入到PCB中，或制造薄型电感器，例如平面横向通量器件。此外，它们会经历突然的饱和，而引起电感随直流偏置的增加而发生急剧滚降。
就粉末芯而言，流行的合金包括铁硅（FeSi）或铁硅铝（FeSiAl），以及包括非晶铁和坡莫合金在内的其他组合物。这类分布式气隙磁芯具有颗粒结构，其饱和特性比铁氧体电感器要软，因此对小偏移直流偏置较不敏感。另一方面，其磁导率通常要比铁氧体小约一个数量级，其有机粘合剂也不能耐受高工作温度。
新的金属薄片压制技术现在可以生产出磁导率与NiZn铁氧体相当、软饱和特性与传统粉末芯可比的分布式气隙磁芯材料。此外，这种新型FlakeComposite磁芯还具有更高的温度稳定性、更高的最高工作温度和机械灵活性。这种灵活性增加所带来的不仅是有机会创造超薄电感器，而且还可以在PCB内嵌入强大的电感器而节省空间，并可以探索机会，将新型电感器（如横向磁通电感器）与有源器件一起集成在下一代电源转换设计中。
性能比较
图1给出了FlakeComposite磁芯材料与铁氧体、粉末和薄膜磁芯的关键磁导率和饱和特性对比。
图1：FlakeComposite的磁导率与铁氧体相当，并具有卓越的饱和性能。
众所周知，铁氧体材料在高频、高温或高直流偏流值下会失去磁导率，导致电感值迅速降低，从而影响性能。为了确保FlakeComposite磁芯电感器至少能够与铁氧体电感器一样好，我们需要比较频率、温度和直流偏置性能。
图2比较了FlakeComposite与NiZn铁氧体复合磁导率的频散。两种材料的曲线图显示，磁导率在约6MHz以上迅速降低，这表明FlakeComposite在工作频率高达1MHz的开关转换器中，性能与NiZn相同或者更好。
图2：对于高达数MHz频率的电源应用来说，FlakeComposite所提供的性能与NiZn铁氧体相当。
对磁饱和特性进行比较，FlakeComposite进入饱和要比NiZn铁氧体更软，并且温度相关性更低，因此大有裨益（图3）。
图3：与NiZn铁氧体相比，FlakeComposite的磁饱和曲线更软，温度相关性更低。
图4对FlakeComposite与NiZn铁氧体和传统金属复合材料（粉末）的直流偏置性能进行了对比。FlakeComposite结合了两种类型的优势，在低偏置下具有与NiZn相当的优异磁导率，而在高偏置下则可保持更高的磁导率，并且温度相关性最低。
图4：当施加高直流偏置电场时，直流偏置特性显示FlakeComposite具有更高的磁导率。
如果电感器工作温度达到磁芯材料的居里温度——在该温度下磁芯会失去磁性——则磁芯磁导率会迅速下降，从而使电感快速损失。如图5所示，FlakeComposite的居里温度也高于典型的NiZn或MnZn铁氧体。
图5：FlakeComposite的居里温度更高，可确保在更高的工作温度下保持电感值。
电感器变薄且占位面积变小
为了不断降低负载点（PoL）转换器等电源转换模块的占位面积，业界已提出集成有源和无源元器件的新设计。与先前用于构建薄型电感器的传统纵向通量模式不同，这些设计所用平面电感器经过专门设计，因而具有横向通量模式。随着电感器厚度的降低，与传统的纵向通量器件相比，横向磁通电感器显现出越来越优越的电感。FlakeComposite的机械特性可实现厚度为50μm至2mm的电感器，因此非常适合制造超薄横向磁通电感器。
采用FlakeComposite制造的电感器极薄却坚固，为了帮助节省占位面积，在将其嵌入到PCB时也可实现固有对齐，并且与传统铁氧体磁芯相比，也可降低高达40%的电感器高度。
弹性高磁导率材料
除了可用于功率电感器之外，FlakeComposite的磁性和机械性能组合还适用于包括EMI抑制和屏蔽无线输电线圈在内的电磁屏蔽应用，从而可优化充电性能并保护附近的电子设备。 FlakeComposite技术是基美电子Flex Suppressor®产品的核心，事实证明这类产品可在各种应用中减少电磁噪声。
总结
FlakeComposite这种新方法可以优化电感器的磁芯性能，并进一步拓展机会，实现未来电源转换电路的小型化设计，因此它将超越当前铁氧体磁芯材料所取得的成就。FlakeComposite可提供类似的磁导率，以及卓越的饱和特性、直流偏置性能和更高的温度性能，进而实现超薄功率电感器设计，并为PCB嵌入式电感器提供所需的机械性能，从而实现真正的节省空间。
