Utiliser des inductances miniatures moulées pour économiser de l'espace, réduire les pertes et améliorer l'intégrité et le rendement d'alimentation

Les bobines d'inductance (ou inductances) sont des composants essentiels dans les conceptions de convertisseurs et de régulateurs de tension. En raison de leur rôle de stockage et de récupération d'énergie, ils sont présents dans la plupart des circuits qui régulent la puissance. Alors que les applications évoluent vers des conceptions plus petites et plus compactes qui doivent être de plus en plus économes en énergie, les concepteurs doivent être plus exigeants quant à leur choix d'inductances pour s'adapter à ces tendances tout en gérant des courants plus élevés.

La réduction des pertes de puissance et l'amélioration du rendement dépendent grandement de la conception et du matériau de noyau d'une bobine d'inductance. Par exemple, l'utilisation de mini-inductances moulées réduit le volume des inductances, tout en offrant tous les avantages des inductances plus classiques, ainsi qu'un meilleur blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI), une densité de puissance plus élevée et des pertes dans le noyau plus faibles.

Cet article décrit brièvement les bobines d'inductance et l'inductance. Il présente ensuite des mini-inductances moulées d'Abracon LLC et discute de leur sélection et de leur application.

Bobines d'inductance et inductance

Les bobines d'inductance sont des composants passifs à deux bornes qui stockent et récupèrent l'énergie sous la forme d'un champ magnétique. Elles se présentent généralement sous la forme d'un fil isolé enroulé sur une bobine. Un courant appliqué à la bobine d'inductance crée un champ magnétique proportionnel à ce courant dans la bobine. Si le courant appliqué change, cela crée un champ magnétique variable dans le temps qui induit une force électromotrice (FEM) dans le conducteur. La tension induite a une polarité qui s'oppose à la variation du courant qui l'a créée. Les bobines d'inductance sont caractérisées par leur valeur d'inductance, qui est le rapport entre la tension induite et le taux de variation du courant. Le henry (H) est l'unité d'inductance. L'inductance peut être augmentée en créant une bobine avec plus de tours, en construisant une section transversale plus grande, en diminuant la longueur de la bobine ou en utilisant un noyau avec un matériau à perméabilité plus élevée (Figure 1).

Figure 1 : Facteurs qui déterminent l'inductance d'une bobine. (Source de l'image : Abracon)

La perméabilité est une caractéristique magnétique et les matériaux de noyau avec une perméabilité supérieure génèrent une densité de flux magnétique plus élevée, permettant de stocker plus d'énergie. Par conséquent, l'inductance est également proportionnelle à la perméabilité du matériau de noyau de la bobine d'inductance. Un noyau hautement perméable peut réduire la taille et le poids de la bobine d'inductance sans réduire la valeur d'inductance, résultant en un boîtier global plus petit et plus léger.

Les matériaux de base incluent l'air, le fer, l'acier, la poudre de fer, la poudre métallique, la céramique et la ferrite. Les ferrites sont des matériaux céramiques combinés à de l'oxyde de fer en poudre et/ou à d'autres métaux en poudre pour fournir un matériau de noyau à haute perméabilité. Les noyaux en poudre utilisent des métaux magnétiques en poudre mélangés à un liant et à un revêtement. Le choix du métal, et du liant, et même l'inclusion de bulles d'air dans le mélange déterminent la perméabilité du matériau de noyau résultant.

Spécifications des bobines d'inductance

Les spécifications critiques des bobines d'inductance utilisées dans les applications d'alimentation sont l'inductance, la résistance en courant continu (DCR), le courant de saturation, le courant d'échauffement, le courant nominal, la fréquence propre (SRF) et le facteur de qualité (Q).

La résistance en courant continu, parfois appelée perte de fil, est la résistance mesurée d'une bobine d'inductance pour une source CC. La résistance en courant continu varie proportionnellement à l'inductance en raison de la longueur et de la section transversale du fil. Les bobines d'inductance de puissance ont généralement une valeur DCR de quelques dizaines de milliohms (mΩ) pour garantir de faibles pertes par conduction. Dans la plupart des cas, la résistance en courant continu est spécifiée en tant que valeur nominale maximum.

À mesure que le courant traversant une bobine d'inductance augmente, le champ magnétique augmente proportionnellement jusqu'à atteindre la saturation ; à ce stade, la perméabilité commence à diminuer. L'augmentation du courant au-delà de ce point entraîne une chute de l'inductance. Le courant de saturation est le courant lorsque la résistance diminue d'une quantité spécifique de l'inductance nominale. Les bobines d'inductance de puissance utilisent généralement une diminution de 10 à 30 % comme limite de spécification.

Le courant d'échauffement est spécifié comme le niveau CC où la température du boîtier d'une bobine d'inductance augmente de 40°C.

Le courant nominal est spécifié comme la valeur inférieure du courant de saturation ou du courant d'échauffement, permettant à une bobine d'inductance de fonctionner en dessous de la plus petite des deux limites.

La fréquence propre est la fréquence à laquelle la réactance de la capacité parasite d'une bobine d'inductance est égale à la réactance. À ce point, une bobine d'inductance fonctionne comme un circuit résonant parallèle. La réactance nette est nulle et l'impédance est extrêmement élevée et entièrement résistive. Les bobines d'inductance fonctionnent généralement en dessous de leur fréquence propre dans les applications de puissance.

Le facteur Q d'une bobine d'inductance est une mesure de son rendement et correspond au rapport entre sa réactance inductive et sa résistance à une fréquence donnée. Plus le facteur Q est élevé, plus les pertes sont faibles et plus le comportement d'une bobine d'inductance se rapproche de celui d'une bobine d'inductance idéale.

Bobines d'inductance de puissance moulées

Les bobines d'inductance de puissance moulées sont des dispositifs à montage en surface (CMS) qui utilisent la technologie de moulage pour entourer et encapsuler la bobine d'une inductance. Contrairement aux inductances bobinées traditionnelles, la poudre magnétique d'une inductance moulée est pressée dans un moule autour d'une bobine de fil entourant les conducteurs. Le composé de moulage, généralement un métal en poudre et un liant, définit la perméabilité du noyau de la bobine d'inductance. Le métal en poudre offre une réponse de saturation plus douce que les ferrites. Il fournit également un blindage magnétique très efficace, résultant en une faible fuite de flux magnétique. Une bobine d'inductance moulée est un composant solide adapté aux environnements difficiles, offrant une protection contre l'humidité, la poussière, les chocs et les vibrations. Une bobine d'inductance moulée n'émet pas de bruit acoustique car elle n'a pas de noyau feuilleté. La construction monobloc simple offre une excellente stabilité mécanique, et est compacte et légère.

Les inductances miniatures moulées d'Abracon offrent tous les avantages des inductances moulées dans un boîtier compact mesurant moins de 3 millimètres (mm). Outre leur format compact, les inductances miniatures moulées présentent une haute densité de puissance, de faibles pertes dans le noyau et par conduction et un excellent blindage EMI.

Les inductances miniatures moulées séries AOTA-B1412 et AOTA-B2012 sont proposées avec une plage d'inductance de 0,11 microhenry (µH) à 2,2 µH, et mesurent de 1,4 mm x 1,2 mm à 2,0 mm x 1,2 mm avec une hauteur maximum de seulement 0,65 mm. Ces inductances supportent des courants nominaux de 1,9 ampère (A) à 6,4 A, et elles sont répertoriées pour fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +125°C.

Un exemple de la série AOTA-B2012 est l'AOTA-B201208SR11MT d'Abracon, une inductance miniature moulée CMS de 0,11 µH avec un courant nominal de 5,6 A et un courant de saturation de 10 A (Figure 2). Ce composant a une résistance en courant continu de 13 mΩ et une fréquence propre de 185 mégahertz (MHz). Il est monté dans un boîtier de 2,0 mm x 1,2 mm avec une hauteur installée de 0,8 mm.

Figure 2 : L'AOTA-B201208SR11MT est une inductance miniature moulée typique d'Abracon dans un boîtier CMS inférieur à 3 mm qui offre une protection contre les facteurs environnementaux tels que l'humidité, la poussière, les chocs et les vibrations. (Source de l'image : Abracon)

Dans la plage de valeurs d'inductance supérieures de la série AOTA-B2012 d'Abracon se trouve l'AOTA-B201208S2R2MT, avec une inductance de 2,2 µH, un courant nominal de 1,8 A, une résistance en courant continu de 130 mΩ et une fréquence propre de 42 MHz. La valeur d'inductance plus élevée requiert un plus grand nombre de tours, ce qui augmente la résistance en courant continu et diminue le courant nominal et la fréquence propre par rapport à l'AOTA-B201208SR11MT. Les dimensions du boîtier sont les mêmes que celles de l'AOTA-B201208SR11MT, à savoir 2,00 mm x 1,20 mm avec une hauteur de 0,8 mm.

L'AOTA-B141206SR33MT et l'AOTA-B141206SR47MT sont des exemples de la série AOTA-B1412 d'Abracon. Ces inductances miniatures moulées ont le plus petit boîtier avec des dimensions de 1,4 mm x 1,2 mm et une hauteur de seulement 0,65 mm. L'AOTA-B141206SR33MT présente une inductance de 0,33 µH, un courant nominal de 3,5 A, une résistance en courant continu de 32 mΩ et une fréquence propre de 120 MHz. L'AOTA-B141206SR47MT présente une inductance de 0,47 µH, un courant nominal de 2,9 A, une résistance en courant continu de 41 mΩ et une fréquence propre de 115 MHz.

Applications pour les inductances miniatures moulées

Malgré leur format compact, les inductances miniatures moulées d'Abracon supportent une puissance considérable avec de faibles pertes dans le noyau et par conduction tout en offrant un blindage EMI supérieur. Grâce à ces caractéristiques, elles constituent un choix idéal pour répondre à la demande sans précédent de convertisseurs de puissance dans des facteurs de forme de plus en plus compacts.

Les applications typiques de ces composants incluent le découplage d'alimentation, le filtrage et les convertisseurs CC/CC (Figure 3).

Figure 3 : Les applications typiques des inductances miniatures moulées d'Abracon incluent le découplage d'alimentation, le filtrage et les convertisseurs CC/CC. (Source de l'image : Art Pini)

Le découplage des circuits intégrés du bus d'alimentation utilise l'impédance variable en fréquence de la bobine d'inductance combinée aux caractéristiques d'impédance complémentaires d'un condensateur pour atténuer le bruit et les signaux haute fréquence, les isolant ainsi des entrées d'alimentation des circuits intégrés. Une faible résistance en courant continu et une fréquence propre élevée sont les caractéristiques importantes de la bobine d'inductance.

Les filtres contrôlent la réponse en fréquence du trajet du signal et peuvent être configurés en tant que passe-bas, passe-haut, passe-bande ou coupe-bande. Les filtres inductance-condensateur (LC) fournissent des réponses à bande étroite passives pour les dispositifs basse consommation qui ne nécessitent pas de dispositifs actifs.

Les bobines d'inductance sont l'élément de stockage d'énergie principal dans les convertisseurs CC/CC. Elles stockent l'énergie lorsque le commutateur est fermé et la récupèrent lorsqu'il est ouvert.

Conclusion

Les inductances miniatures moulées d'Abracon offrent les avantages des inductances moulées dans un petit boîtier mesurant moins de 3 mm. Malgré leur format compact, elles peuvent supporter des niveaux de puissance importants avec de faibles pertes dans le noyau et par conduction, garantissant une excellente intégrité d'alimentation dans les petits dispositifs électroniques.