Utilizzare i mini-induttori stampati per risparmiare spazio, ridurre le perdite e migliorare l'integrità e l'efficienza dell'alimentazione

Gli induttori sono fondamentali nei progetti di convertitori e regolatori di tensione. Grazie al loro ruolo di immagazzinaggio e recupero dell'energia, sono presenti in quasi tutti i circuiti che regolano la potenza. Poiché le applicazioni tendono verso la miniaturizzazione e devono essere sempre più efficienti dal punto di vista energetico, i progettisti devono essere più esigenti nella scelta dell'induttore per soddisfare queste tendenze e gestire correnti più elevate.

La riduzione delle perdite di potenza e il miglioramento dell'efficienza dipendono in larga misura dal design e dal materiale del nucleo dell'induttore. Ad esempio, l'uso di mini-induttori stampati riduce il volume dell'induttore, pur offrendo tutti i vantaggi degli induttori convenzionali, con una maggiore schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI), una maggiore densità di potenza e minori perdite nel nucleo.

Questo articolo descrive brevemente gli induttori e l'induttanza. Presenta quindi i mini-induttori stampati di Abracon LLC e ne discute la selezione e l'applicazione.

Induttori e induttanza

Gli induttori sono componenti passivi a due terminali che immagazzinano e recuperano energia sotto forma di campo magnetico. In genere hanno la forma di un filo isolato avvolto su una bobina. Una corrente applicata all'induttore crea un campo magnetico proporzionale alla corrente all'interno della bobina. Se la corrente applicata cambia, crea un campo magnetico variabile nel tempo che induce una forza elettromotrice (f.e.m.) nel conduttore. La tensione indotta ha una polarità opposta alla variazione di corrente che l'ha creata. Gli induttori sono caratterizzati dalla loro induttanza, ossia dal rapporto tra la tensione indotta e la velocità di variazione della corrente. L'Henry (H) è l'unità di misura dell'induttanza, che può essere aumentata creando una bobina con un maggior numero di spire, costruendo una sezione trasversale più ampia, riducendo la lunghezza della bobina o utilizzando un nucleo con un materiale a più alta permeabilità (Figura 1).

Figura 1: I fattori che determinano l'induttanza di una bobina. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

La permeabilità è una caratteristica magnetica e i materiali del nucleo con una permeabilità più elevata generano una maggiore densità di flusso magnetico, al fine di immagazzinare più energia. Pertanto, l'induttanza è anche proporzionale alla permeabilità del materiale del nucleo dell'induttore. Un nucleo altamente permeabile può ridurre le dimensioni e il peso dell'induttore senza ridurre il valore dell'induttanza, con il risultato di un contenitore complessivo più piccolo e leggero.

I materiali del nucleo includono aria, ferro, acciaio, polvere di ferro, polvere di metallo, ceramica e ferrite. Le ferriti sono materiali ceramici combinati con ossido di ferro in polvere e/o altri metalli in polvere per ottenere un materiale del nucleo ad alta permeabilità. I nuclei in polvere utilizzano metalli magnetici in polvere mescolati con un legante e un rivestimento. La scelta del metallo, del legante e persino l'inclusione di bolle d'aria nell'impasto determinano la permeabilità del materiale del nucleo risultante.

Specifiche dell'induttore

Le specifiche critiche per gli induttori utilizzati nelle applicazioni di potenza sono l'induttanza, la resistenza c.c. (DCR), la corrente di saturazione, la corrente di aumento della temperatura, la corrente nominale, la frequenza di autorisonanza (SRF) e il fattore di qualità (Q).

La DCR è la resistenza misurata di un induttore per una sorgente c.c. La DCR varia in proporzione all'induttanza a causa della lunghezza e della sezione trasversale del filo. Gli induttori di potenza hanno generalmente una DCR nell'ordine delle decine di milliohm (mΩ) per garantire basse perdite di conduzione. Nella maggior parte dei casi, la DCR è specificata come valore massimo.

All'aumentare della corrente attraverso un induttore, il campo magnetico aumenta proporzionalmente fino a raggiungere la saturazione; a questo punto, la permeabilità inizia a diminuire. L'aumento della corrente oltre questo punto causa la riduzione dell'induttanza. La corrente di saturazione è la corrente in cui la resistenza scende di una quantità specifica dell'induttanza nominale. Gli induttori di potenza di solito utilizzano una riduzione dal 10 al 30% come limite di specifica.

La corrente di aumento della temperatura è specificata come il livello c.c. in cui la temperatura dell'involucro di un induttore aumenta di 40 °C.

La corrente nominale è specificata come il valore più basso della corrente di saturazione o della corrente di aumento della temperatura, consentendo a un induttore di funzionare al di sotto del minore dei due limiti.

La SRF è la frequenza alla quale la reattanza della capacità parassita di un induttore è uguale alla reattanza. A questo punto, un induttore funziona come un circuito risonante parallelo. La reattanza netta è nulla e l'impedenza è estremamente elevata e interamente resistiva. Nelle applicazioni di potenza, gli induttori generalmente sono utilizzati al di sotto della loro SRF.

Il Q di un induttore è una misura della sua efficienza ed è il rapporto tra la sua reattanza induttiva e la sua resistenza a una determinata frequenza. Un Q più alto significa perdite minori e un comportamento più vicino a quello di un induttore ideale.

Induttori di potenza stampati

Gli induttori di potenza stampati sono dispositivi a montaggio superficiale (SMD) che utilizzano la tecnologia di stampaggio per circondare e incapsulare la bobina dell'induttore. A differenza dei tradizionali induttori a filo avvolto, il materiale in polvere magnetica di un induttore stampato viene pressato in uno stampo attorno a una matassa di filo che circonda i conduttori. Il composto di stampaggio, solitamente un metallo in polvere e un legante, stabilisce la permeabilità del nucleo dell'induttore. Il riempimento in polvere di metallo offre una risposta di saturazione più morbida rispetto alle alternative in ferrite. Inoltre, fornisce una schermatura magnetica altamente efficace, con conseguente bassa dispersione di flusso magnetico. Un induttore stampato è un componente solido adatto ad ambienti difficili, che protegge da umidità, polvere, urti e vibrazioni. Un induttore stampato non emette rumore acustico perché non ha un pacco laminato. La struttura semplice e monoblocco offre un'eccellente stabilità meccanica ed è compatta e leggera.

I mini-induttori stampati di Abracon offrono tutti i vantaggi degli induttori stampati in un contenitore compatto di dimensioni inferiori a 3 mm. Oltre alle dimensioni compatte, i mini-induttori stampati hanno un'elevata densità di potenza, basse perdite di nucleo e di conduzione ed eccellente schermatura EMI.

I mini-induttori stampati serie AOTA-B1412 e AOTA-B2012 sono offerti con un intervallo di induttanze da 0,11 a 2,2 µH e in contenitori da 1,4 x 1,2 mm a 2,0 x 1,2 mm con un'altezza massima di 0,65 mm. Questi induttori sono in grado di gestire correnti nominali da 1,9 a 6,4 A e di funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +125 °C.

Un esempio della serie AOTA-B2012 è AOTA-B201208SR11MT, un mini-induttore stampato SMD da 0,11 µH con una corrente nominale di 5,6 A e una corrente di saturazione di 10 A (Figura 2). Ha una DCR di 13 mΩ e una SRF di 185 MHz. È montato in un contenitore di 2,0 mm x 1,2 mm con un'altezza di 0,8 mm.

Figura 2: AOTA-B201208SR11MT è un tipico mini-induttore stampato di Abracon in un contenitore SMD da meno di 3 mm che protegge da fattori ambientali quali umidità, polvere, urti e vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Nella fascia di induttanza superiore della serie AOTA-B2012 di Abracon si trova il modello AOTA-B201208S2R2MT, con un'induttanza di 2,2 µH, una corrente nominale di 1,8 A, una DCR di 130 mΩ e una SRF di 42 MHz. L'induttanza più elevata richiede un numero maggiore di spire, che aumenta la DCR e riduce la corrente nominale e la SRF rispetto al modello AOTA-B201208SR11MT. Le dimensioni del contenitore sono le stesse del modello AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm con un'altezza di 0,8 mm.

Esempi della serie AOTA-B1412 di Abracon sono AOTA-B141206SR33MT e AOTA-B141206SR47MT. Questi mini-induttori stampati hanno il contenitore più piccolo, con dimensioni di 1,4 mm x 1,2 mm e un'altezza di soli 0,65 mm. AOTA-B141206SR33MT ha un'induttanza di 0,33 µH, una corrente nominale di 3,5 A, una DCR di 32 mΩ e una SRF di 120 MHz. AOTA-B141206SR47MT ha un'induttanza di 0,47 µH, una corrente nominale di 2,9 A, una DCR di 41 mΩ e una SRF di 115 MHz.

Applicazioni dei mini-induttori stampati

Nonostante le dimensioni ridotte, i mini-induttori stampati di Abracon gestiscono una potenza notevole con basse perdite nel nucleo e conduttive e offrono una schermatura EMI superiore. Queste caratteristiche li rendono la scelta ideale per soddisfare la domanda senza precedenti di convertitori di potenza in fattori di forma sempre più piccoli.

Le applicazioni tipiche di questi componenti includono il disaccoppiamento di potenza, il filtraggio e i convertitori c.c./c.c. (Figura 3).

Figura 3: Le applicazioni tipiche dei mini-induttori stampati di Abracon comprendono il disaccoppiamento di potenza, il filtraggio e i convertitori c.c./c.c. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il disaccoppiamento dei circuiti integrati dal bus di alimentazione utilizza l'impedenza a frequenza variabile dell'induttore combinata con le caratteristiche di impedenza complementari di un condensatore per attenuare i segnali ad alta frequenza e il rumore, isolandoli dagli ingressi di alimentazione del circuito integrato. La bassa DCR e l'elevata SRF sono caratteristiche importanti dell'induttore.

I filtri controllano la risposta in frequenza del percorso del segnale e possono essere configurati come bassi, alti, passa banda o ferma banda. I filtri induttore-condensatore (LC) forniscono risposte passive selettive in frequenza per dispositivi a bassa potenza che non richiedono dispositivi attivi.

Gli induttori sono l'elemento principale di immagazzinaggio dell'energia nei convertitori c.c./c.c. Immagazzinano energia quando l'interruttore è chiuso e la recuperano quando si apre.

Conclusione

I mini-induttori stampati di Abracon offrono i vantaggi degli induttori stampati in un contenitore compatto di dimensioni inferiori a 3 mm. Nonostante le loro dimensioni ridotte, sono in grado di gestire livelli di potenza significativi con basse perdite nel nucleo e di conduzione, garantendo un'eccellente integrità di potenza nei piccoli dispositivi elettronici.