Verwendung von vergossenen Mini-Induktivitäten zur Platzersparnis, Reduzierung von Verlusten und zur Verbesserung von Leistungsintegrität und Effizienz

Induktivitäten sind eine entscheidende Komponente bei der Entwicklung von Spannungswandlern und -reglern. Aufgrund ihrer Funktion für Energiespeicherung und -rückgewinnung sind sie in fast allen Schaltkreisen zu finden, die Strom regeln. Da der Trend bei Anwendungen zu kleineren und kompakteren Designs geht, die immer energieeffizienter sein müssen, muss bei der Wahl der Induktivität sorgfältig vorgegangen werden, um diesen Trends gerecht zu werden und gleichzeitig höhere Ströme zu bewältigen.

Die Verringerung von Leistungsverlusten und die Verbesserung des Wirkungsgrads hängen in hohem Maße von der Konstruktion und dem Kernmaterial einer Induktivität ab. Die Verwendung von Miniaturdrosseln verringert beispielsweise das Volumen der Drosselspule und bietet gleichzeitig alle Vorteile herkömmlicher Drosseln, wie eine bessere Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI), eine höhere Leistungsdichte und geringere Kernverluste.

In diesem Artikel werden Induktivitäten und Induktivität kurz beschrieben. Anschließend werden vergossene Mini-Induktivitäten von Abracon LLC vorgestellt und ihre Auswahl und Anwendung erörtert.

Induktivitäten und Induktivität

Induktivitäten sind passive Bauelemente mit zwei Anschlüssen, die Energie in Form eines Magnetfeldes speichern und wieder abgeben. Sie haben im Allgemeinen die Form eines isolierten Drahtes, der zu einer Spule gewickelt ist. Ein an die Spule angelegter Strom erzeugt in der Spule ein zu diesem Strom proportionales Magnetfeld. Ändert sich der angelegte Strom, erzeugt er ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das eine elektromotorische Kraft (EMK) im Leiter induziert. Die induzierte Spannung besitzt eine Polarität, die der Stromänderung entgegenwirkt, die sie hervorgerufen hat. Induktivitäten werden durch ihre Induktivität charakterisiert, die das Verhältnis zwischen der induzierten Spannung und der Änderungsrate des Stroms darstellt. Henry (H) ist die Einheit der Induktivität, die durch eine Spule mit mehr Windungen, einen größeren Querschnitt, eine geringere Spulenlänge oder einen Kern mit einem Material höherer Permeabilität erhöht werden kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dargestellt sind die Faktoren, die die Induktivität einer Spule bestimmen. (Bildquelle: Abracon)

Die Permeabilität ist eine magnetische Eigenschaft, und Kernmaterialien mit höherer Permeabilität erzeugen eine höhere Dichte des magnetischen Flusses, so dass mehr Energie gespeichert werden kann. Daher ist die Induktivität auch proportional zur Permeabilität des Kernmaterials der Induktivität. Ein hochpermeabler Kern kann die Größe und das Gewicht der Spule reduzieren, ohne den Induktionswert zu verringern, was zu einem kleineren und leichteren Gesamtpaket führt.

Zu den Kernmaterialien gehören Luft, Eisen, Stahl, Eisenpulver, Metallpulver, Keramik und Ferrit. Ferrite sind keramische Werkstoffe, die mit pulverisiertem Eisenoxid und/oder anderen pulverisierten Metallen kombiniert werden, um ein Kernmaterial mit hoher Permeabilität zu erhalten. Bei Pulverkernen werden pulverförmige magnetische Metalle mit einem Bindemittel und einer Beschichtung vermischt. Die Auswahl des Metalls, des Bindemittels und sogar der Einschluss von Luftblasen in der Mischung bestimmen die Permeabilität des resultierenden Kernmaterials.

Spezifikationen der Induktivität

Die kritischen Spezifikationen für Induktivitäten in Leistungsanwendungen sind Induktivität, Gleichstromwiderstand (DCR), Sättigungsstrom, Temperaturanstiegsstrom, Nennstrom, Eigenresonanzfrequenz (SRF) und Qualitätsfaktor (Q).

Der DCR, manchmal auch als Drahtverlust bezeichnet, ist der gemessene Widerstand einer Induktivität für eine Gleichstromquelle. Der Gleichstromwiderstand variiert proportional zur Induktivität aufgrund der Länge und der Querschnittsfläche des Drahtes. Leistungsinduktoren haben in der Regel einen Gleichstromwiderstand von einigen zehn Milliohm (mΩ), um geringe Leitungsverluste zu gewährleisten. In den meisten Fällen wird der DCR als Maximalwert angegeben.

Wenn der Strom durch eine Induktivität ansteigt, nimmt das Magnetfeld proportional zu, bis es die Sättigung erreicht; an diesem Punkt beginnt die Permeabilität zu sinken. Wenn der Strom über diesen Punkt hinaus ansteigt, sinkt die Induktivität. Der Sättigungsstrom ist der Strom, bei dem der Widerstand um einen bestimmten Betrag der Nenninduktivität abfällt. Bei Leistungsinduktoren gilt in der Regel eine Abnahme von 10 bis 30 % als Spezifikationsgrenze.

Der Temperaturanstiegsstrom wird als der Gleichstrompegel angegeben, bei dem die Gehäusetemperatur eines Induktors um 40°C ansteigt.

Der Nennstrom wird als der niedrigere Wert des Sättigungsstroms oder des Temperaturanstiegsstroms angegeben, so dass eine Induktivität unterhalb des kleineren der beiden Grenzwerte betrieben werden kann.

SRF ist die Frequenz, bei der die Reaktanz der parasitären Kapazität einer Induktivität gleich der Reaktanz ist. An diesem Punkt arbeitet eine Induktivität als Parallelschwingkreis. Die Netto-Reaktanz ist gleich Null, und die Impedanz ist extrem hoch und vollständig ohmsch. Bei Leistungsanwendungen werden Induktivitäten im Allgemeinen unterhalb ihres SRF betrieben.

Der Q-Wert einer Induktivität ist ein Maß für ihren Wirkungsgrad und ist das Verhältnis zwischen ihrer induktiven Reaktanz und ihrem Widerstand bei einer bestimmten Frequenz. Je höher der Q-Wert ist, desto geringer sind die Verluste, und desto eher entspricht das Verhalten einer Induktivität dem einer idealen Induktivität.

Vergossene Leistungsinduktivitäten

Vergossene Leistungsinduktivitäten sind oberflächenmontierbare Bauelemente (SMDs), die die Spule einer Induktivität mit Hilfe der Gusstechnik umgeben und einkapseln. Im Gegensatz zu herkömmlichen drahtgewickelten Drosseln wird das magnetische Pulvermaterial einer vergossenen Drossel in eine Form gepresst, die eine Drahtspule um die Leiter umgibt. Die Formmasse, in der Regel ein Metallpulver und ein Bindemittel, bestimmt die Permeabilität des Kerns der Induktivität. Die Metallpulverfüllung bietet ein weicheres Sättigungsverhalten als Ferritfüllungen. Außerdem bietet es eine hochwirksame magnetische Abschirmung, was zu einem geringen magnetischen Streufluss führt. Eine vergossene Induktivität ist ein solides Bauteil, das sich für raue Umgebungen eignet und gegen Feuchtigkeit, Staub, Stöße und Vibrationen geschützt ist. Eine vergossene Induktivität erzeugt keine akustischen Geräusche, da sie keinen laminierten Kern hat. Die einfache, einteilige Konstruktion bietet hervorragende mechanische Stabilität und ist kompakt und leicht.

Die vergossenen Mini-Induktivitäten von Abracon bieten alle Vorteile von vergossenen Induktivitäten in einem kleinen Gehäuse von weniger als 3 Millimetern (mm). Neben ihrer kompakten Größe zeichnen sich die Mini-Induktivitäten durch eine hohe Leistungsdichte, geringe Kern- und Leitungsverluste sowie eine hervorragende EMI-Abschirmung aus.

Die Mini-Induktivitäten der Serien AOTA-B1412 und AOTA-B2012 werden mit einem Induktivitätsbereich von 0,11 bis 2,2 Mikro-Henry (µH) angeboten und haben Gehäuseabmessungen von 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 Zoll (in.)) bis 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 in.) mit einer maximalen Höhe von nur 0,65 mm (0,026 in.). Die Induktivitäten sind für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C ausgelegt.

Ein Beispiel aus der Serie AOTA-B2012 ist die AOTA-B201208SR11MT von Abracon, eine vergossene Induktivität mit 0,11 µH für einen Nennstrom von 5,6 A und einen Sättigungsstrom von 10 A (Abbildung 2). Sie hat einen DCR von 13 mΩ und einen SRF von 185 Megahertz (MHz). Sie ist in einem 2,0 mm x 1,2 mm (0,079" x 0,047") großen Gehäuse mit einer Höhe von 0,8 mm (0,031") untergebracht.

Abbildung 2: Die AOTA-B201208SR11MT ist eine typische vergossene Mini-Induktivität von Abracon in einem SMD-Gehäuse unter 3 mm, das vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub, Stößen und Vibrationen schützt. (Bildquelle: Abracon)

Im oberen Induktivitätsbereich der Serie AOTA-B2012 von Abracon liegt die AOTA-B201208S2R2MT mit einer Induktivität von 2,2 µH, einem Nennstrom von 1,8 A, einem DCR von 130 mΩ und einer SRF von 42 MHz. Die höhere Induktivität erfordert eine größere Anzahl von Windungen, wodurch sich der DCR erhöht und der Nennstrom und die SRF im Vergleich zur AOTA-B201208SR11MT verringert werden. Die Gehäuseabmessungen sind mit 2,00 mm x 1,20 mm (0,079" x 0,047") und einer Höhe von 0,8 mm (0,031") die gleichen wie bei der AOTA-B201208SR11MT.

Beispiele für die Serie AOTA-B1412 von Abracon sind die AOTA-B141206SR33MT und die AOTA-B141206SR47MT. Diese vergossenen Mini-Induktivitäten haben das kleinste Gehäuse mit Abmessungen von 1,4 mm x 1,2 mm (0,055" x 0,047") und einer Gehäusehöhe von nur 0,65 mm (0,026"). Die AOTA-B141206SR33MT hat eine Induktivität von 0,33 µH, einen Nennstrom von 3,5 A, einen DCR von 32 mΩ und eine SRF von 120 MHz. Die AOTA-B141206SR47MT hat eine Induktivität von 0,47 µH, einen Nennstrom von 2,9 A, einen DCR von 41 mΩ und eine SRF von 115 MHz.

Anwendungen für vergossene Mini-Induktivitäten

Trotz ihrer geringen Größe bewältigen die Mini-Induktivitäten von Abracon eine hohe Leistung bei geringen Kern- und Leitungsverlusten und bieten gleichzeitig eine hervorragende EMI-Abschirmung. Diese Eigenschaften machen sie zur idealen Wahl, um die beispiellose Nachfrage nach Leistungswandlern in immer kleineren Formfaktoren zu erfüllen.

Typische Anwendungen für diese Bauteile sind Leistungsentkopplung, Filterung und DC/DC-Wandler (Abbildung 3).

Abbildung 3: Zu den typischen Anwendungen der vergossenen Mini-Induktivitäten von Abracon gehören Leistungsentkopplung, Filterung und DC/DC-Wandler. (Bildquelle: Art Pini)

Bei der Entkopplung integrierter Schaltungen vom Stromversorgungsbus wird die frequenzvariable Impedanz der Induktivität in Kombination mit den komplementären Impedanzeigenschaften eines Kondensators genutzt, um Hochfrequenzsignale und Rauschen zu dämpfen und von den Stromversorgungseingängen der integrierten Schaltungen zu isolieren. Niedriger DCR und hohe SRF sind die wichtigsten Eigenschaften von Induktivitäten.

Filter steuern den Frequenzgang des Signalwegs und können als Tief-, Hoch-, Bandpass- oder Bandsperre konfiguriert werden. Induktivitäts-Kondensator-Filter (LC-Filter) bieten passive frequenzselektive Antworten für Geräte mit geringem Stromverbrauch, die keine aktiven Komponenten benötigen.

Induktivitäten sind das wichtigste Energiespeicherelement in DC/DC-Wandlern. Sie speichern Energie, wenn der Schalter geschlossen ist, und geben sie zurück, wenn er geöffnet wird.

Fazit

Die vergossenen Mini-Induktivitäten von Abracon bieten alle Vorteile von vergossenen Induktivitäten in einem kleinen Gehäuse von weniger als 3 mm. Trotz ihrer geringen Größe können sie bei geringen Kern- und Leitungsverlusten beträchtliche Leistungspegel bewältigen und gewährleisten so eine hervorragende Leistungsintegrität in kleinen elektronischen Geräten.