金属磁性压实粉末材料在新一代功率电感器中的应用

为当今大批量移动市场构建功率电感的设计人员面临着一个难以解决的困境。一方面，市场需要更高性能的系统，其中额外的功能在更高的电流水平下运行。另一方面，它迫使产品设计师将这些额外功能压缩到更小的封装中。以智能手机市场为例。今天的手机正在迅速从运行在1到1.5 GHz之间的双核处理器迁移到运行超过2 GHz的四核处理器。因此，手机设计人员需要用于电源电路的扼流圈，能够支持用于提供电话新功能的更高工作电流。与此同时，手机设计变得越来越小，越来越薄;因此，手机设计师还需要足够小的扼流线圈以适应手机缩小的尺寸。

平板电脑设计也可以看到相同的趋势。今天的客户需要更大，更高性能的屏幕。他们还期望更轻，更薄的片剂。例如，最初的Apple iPad平板电脑厚度为0.5英寸。 0.29英寸，最新的iPad Mini几乎是厚度的一半。因此，平板电脑设计人员需要能够支持更高电流水平的扼流线圈，同时又足够小以适应当今领先产品所使用的极低外形。不幸的是，这些要求与传统的扼流圈设计原理背道而驰。通常，扼流线圈由铁氧体材料构成。由于铁氧体的饱和磁通密度不是很高，所以当扼流线圈尺寸减小时，由于磁饱和，DC偏压特性下降。结果，更高的电流不能通过扼流圈。这就是为什么设计人员转向使用由高饱和磁通铁基金属磁性颗粒和有机粘合剂制成的压实金属粉末的电感器。在这些产品中，金属磁性颗粒和线圈同时形成。然后粘合剂固化并用于在金属颗粒之间提供绝缘。

鉴于移动市场的设计趋势，新一代扼流线圈的需求将迅速增长，可以在更小的环境中提供出色的性能特征脚印。尽管如此，制造商如何找到解决这一问题的方法并构建移动设计人员需要的高性能而紧凑的电感器？

为了解决这个问题，Taiyo Yuden的工程师开发出一种新的金属磁性压实粉末材料，它不使用有机物粘合剂。使用这种材料，该公司开发了一系列产品，有望满足移动设备设计人员的性能和小尺寸要求。本文将介绍新材料及其如何在MCOIL™金属功率电感器中使用。

新微结构

新材料最具革命性的方面是它不使用有机粘合剂。图1和图2显示了这种新材料的独特微观结构。粉末由铁（Fe），硅（Si）和铬（Cr）组成。图1中的扫描电子显微镜（SEM）图像显示金属磁性颗粒之间的微隙中不存在有机粘合剂。图2中的透射电子显微镜（TEM）图像显示了在金属磁性粉末材料的金属磁性颗粒表面上形成薄氧化层的颗粒之间的间隙。

图1：此SEM图像显示Taiyo Yuden的新型金属磁性压实粉末材料中有机粘合剂的缺失（黑色区域）。

图2：新材料的TEM图像说明太阳诱电新材料中金属磁性颗粒表面形成的薄氧化层。由于氧化物层的成分与金属磁性颗粒相容，因此它为金属磁性颗粒表面提供了优异的绝缘特性。此外，氧化物层具有高结晶度 - 相邻金属磁性颗粒之间的氧化物层中没有缺陷，并且晶体彼此连续地连接。鉴于这些品质以及将该层控制在100至200nm厚之间的能力，氧化物层使得可以确保金属磁性颗粒之间的绝缘和机械强度。这种特性使新材料能够为扼流圈应用提供卓越的性能特性。为了测量这种高结晶薄氧化层对扼流圈应用的材料特性的好处，Taiyo Yuden的工程师测试了三种新材料。方式：弯曲强度，绝缘和磁导率。

新的MCOIL™产品

为了满足当今日益严苛的设计要求，Taiyo Yuden开发了基于这一新产品的新系列产品金属磁粉称为金属功率电感器MCOIL线。这些新器件采用金属磁芯，其导磁率比传统复合型功率电感器好2倍。它还在芯上采用Hi-μ屏蔽树脂和缠绕线。该产品将有三个系列。 MC型是极低调的器件，能够支持2A至3A范围内的电流水平。 MA类型支持略高的电流水平，最大约5 A，占地面积稍大。最后，较大的MD型器件在6 A至7 A范围内支持更高的电流水平。

与铁氧体器件相比的性能优势

图3所示的图表说明了新MCOIL MDMK4040的显着性能优势类似于基于铁氧体的NRS4012型器件的器件。使用铁氧体器件，一旦DC偏压超过2 A，电感就会急剧下降。利用其新型金属磁粉的优势，MCOIL器件具有更稳定的性能。如第一张图所示，当DC偏置从2 A增加到8 A时，电感缓慢下降。显然，MCOIL器件不会像铁氧体器件那样快速饱和，从而可以支持更高的电流。

图3：左图比较了MCOIL器件的电感与其在不同DC偏置电平下的铁氧体等效电容的比较。右图描绘了DC偏置增加时的饱和效应。

多重优势

通过将金属磁性材料的优势与工艺技术的进步相结合，新的MCOIL产品与早期的铁氧体类型相比还可以节省大量空间产品。例如，Taiyo Yuden基于铁氧体的NRS6014T1R2MMGG器件尺寸为6 x 6 x 1.4 mm。 MCOIL MDMK4040T1R2器件性能相当，采用紧凑的4 x 4 x 1.2 mm封装，占用空间减少56％。同样，MCOIL 2.5 x 2.0 x 1.2 mm MAMK2520T1R0的性能与基于4.0 x 4.0 x 1.2 mm铁氧体的NRS4012T1R0NDGG相当，占地面积减小69％。

图4：尺寸减小与基于铁氧体的等效设备相比，MCOIL设备具有相同的电气性能。

最近，Taiyo Yuden宣布在其金属功率电感器MCOIL系列中生产更薄的设备。 MDKK1616和MDKK2020设备针对智能手机，平板电脑和固态硬盘，分别为1.64 x 1.64 mm和2.0 x 2.0 mm方形，最大高度仅为1 mm。 Taiyo Yuden还提供2.0 x 1.64 x 1.0 mm的设备。

新的MCOIL系列在RFI屏蔽方面也具有显着优势。如下图所示，基于金属的MCOIL MAMK2520T器件的发射远低于基于铁氧体的替代器件。这种特性可以多种方式提高性能并简化电路板设计，包括降低其他周围电路的噪声，最大限度地降低屏蔽罩或其他元件靠近电源线圈时的效率损失，并最大限度地减少与其他电源线圈的串扰。

结果图5：MCOIL器件与等效铁氧体器件相比的射频辐射。

Taiyo Yuden工程师的广泛测试也突出了MCOIL电感器与竞争对手的线绕铁氧体或金属型替代品相比的固有优势。如图6a所示，与竞争性线绕铁氧体类产品相比，MCOIL产品的直流偏置特性逐渐下降，这些产品通常性能迅速下降。这种能力是MCOIL器件在更小的占位面积中支持更高电流水平的能力的核心。此外，新型电感器表现出对温度的稳定直流偏置特性（图6b）。与竞争对手的绕线铁氧体产品相比，MCOIL系列还具有显着更低的交流电阻和更高的效率（图6c）。

图6：MCOIL与铁氧体电线的性能比较 - 伤口等效物显示出直流偏压（6a），温度（6b），交流电阻和效率（6c）的显着改善。

与复合金属器件相比的性能优势

如前所述，设计人员正在寻找铁氧体的替代品 - 基于电感器。结果，现在存在使用由高饱和磁通铁基金属磁性颗粒和有机粘合剂制成的压实金属粉末的替代方案。如图所示，MCOIL产品在物理尺寸，DC特性，RF，AC电阻和效率方面明显优于铁氧体等效产品。然而，与新型金属粉末器件的比较如何？下面的图7展示了MCOIL相对于金属型电感器的竞争优势。在这里，MCOIL提供明显更好的交流电阻和Q因子。它还提供更好的电源效率。其他测试也证实了MCOIL材料的强大性质和性能。 （有关这些测试的详细讨论，请参见附录A.）

频率特性

图7：MCOIL性能与竞争金属复合电感的比较。

结论

高性能移动设备为功率电感器制造商提供了一个充满希望的市然而，如果电感器供应商能够提供移动设备设计人员所需的性能，那么这个机会只会成为现实。通过消除有机粘合剂的使用并提高渗透性和绝缘性，MCOIL系列中使用的金属磁性材料使Taiyo Yuden的工程师能够在不影响性能的情况下减小线圈尺寸。这些进步共同为移动应用的新一代金属功率电感器打开了大门。