Оптимизация затрат при использовании DC/DC-преобразователей

Сегодня необходимо, чтобы электроника, используемая
в современных приложениях, обладала большей производительностью при меньших массо-габаритных показателях и более низкой цене. Многослойные индукторы применяются во многих областях и влияют в целом на коэффициент полезного действия системы. В статье обсуждаются преимущества этих устройств, а также методы производства, позволяющие улучшить их характеристики.

Одним из актуальных вопросов является понимание возможности кросс-референса проволочной катушки многослойным индуктором. Компания Samsung Electro-Mechanics (SEMCO) предлагает многочисленные решения в сегменте мощностной индукции, которые обеспечивают возможность перехода с индуктивной катушки на многослойные индукторы без потерь. В области индукции сегодня применяют главным образом две технологии — проволочные катушки индуктивности
и многослойные индукторы. Различают, кроме того, тонко
слойные и сплавные типы. Тонкослойные индукторы с узким полем допуска и ограниченным интервалом индуктивности для высокочастотного применения являются скорее продуктом для специфического применения. Сплавные индукторы постоянно развиваются в качестве достойной альтернативы катушечным, о них мы поговорим позднее.

Наиболее значимые отличия между названными технологиями заключаются в используемых основных материалах и принципе работы. Проволочные элементы катушечного индуктора наматываются на керамическую или ферритовую катушку. Способ наматывания, а также форма проволоки влияют на дальнейшие рабочие характеристики конструктивного элемента решающим образом. Многослойные индукторы, которые воспроизводят катушечную обмотку посредством объединения отдельных спрессованных слоев (рис. 1), различаются, прежде всего, применяемым методом прессования, а также ферритами
и изолирующими материалами.

Ноу-хау компании Samsung Electro-Mechanics в технологии прессования и успехи в области исследования ферритовых
и немагнитных материалов постоянно расширяют возможности применения многослойных мощностных индукторов, которые сегодня во многом превосходят катушечные (таблица 1).

Многослойные мощностные индукторы (MPI)

 MPI применяются прежде всего в преобразователях DC/DC, в т. ч. типа POL (Point of Load) и VRM (Voltage Regulator Modules). Они используются в качестве начальной индуктивности. Эффективная мощность начальной индукции имеет непосредственное влияние на коэффициент полезного действия преобразователя, поэтому попытки оптимизации размера или электрических характеристик индуктора оказывают решающее воздействие на то или иное применение.

Благодаря развитию технического производства рынок MPI значительно расширился. С их использованием сегодня производят и преобразователи DC/DC, тогда как ранее использовались только индукторы катушечного типа. Благодаря высокой допустимой силе тока 0,5–4 A при 1 мкH и значении сопротивления постоянного тока до 0,04 Ом мощностные индукторы Samsung серии CIG наиболее оптимально подходят для применения в преобразователях DC/DC. При высокой частоте переключения индуктора электрические характеристики серии CIG не только аналогичны характеристикам катушечного индуктора, но даже превосходят их. Они предлагаются со значениями индуктивности 0,27–10 µH.

Хорошей способностью насыщения обладают мощностные индукторы серий CIG22H и CIG32H, которые достигают при 1 мкH в конструктивной форме 2520 (высота 1,2 мм) 3,3 A или 4 A в конструктиве 3225 (высота 1,2 мм). Это во многом объясняет быстро растущую потребность в мощностных индукторах небольшого размера, так как малые габариты обеспечивает новая, разработанная производителем технология негативного прессования.

Наряду с электрическими преимуществами MPI предлагают значительную экономию затрат — до 20%. Благодаря стандартным конструктивным формам они проще в применении и при переоборудовании. Поскольку запаивание или склеивание проволоки, корпуса и ферритовых частей не требуется, MPI являются более безопасными в использовании.

Дальнейшей областью применения является снижение помех, связанных с проводкой, а также для выпрямления тока в системе электропитания. Высокая производительность многослойных индукторов обеспечивается разработанной фирмой Samsung технологией трафаретной печати, ферритовыми и керамическими материалами.

Новейшая технология трафаретной печати для улучшения допустимой силы тока

Негативное прессование (Negative Printing) используется для реализации более толстой катушечной обмотки по сравнению с обычной трафаретной печатью. Если попытаться достичь нужной толщины обмотки при помощи только трафаретной печати, без применения негативного прессования, то изделие примет чрезмерную шарообразную форму и его невозможно будет использовать в современных высокоскоростных машинах (рис. 3).

Негативное прессование обеспечивает возможность оптимизации сопротивления постоянного тока (R = ρ* l/A) на основе увеличенного поперечного сечения провода (А). Снижение значения R_dc вызывает значительное повышение допустимой силы тока.

Таким образом, серия индукторов тока высокого напряжения CIG**H показывает допустимую силу тока, на 50% большую, чем стандартная серия CIG**B (таблица 2).

Самые лучшие материалы для высокого КПД

SEMCO уже многие годы является лидером по разработке технологий в области производства MLCC (многослойных керамических конденсаторов). Поскольку материалы, применяемые в этой области, близки к материалам, применяемым в производстве многослойных индукторов, то и технология работы с последними значительно выиграла в своем развитии, опираясь на имеющийся опыт. Одной из ведущих компетенций SEMCO является производство высококачественных керамических и ферритовых материалов, которые способствуют улучшению эффективности индукторов.

Для улучшения свойств MPI в качестве изолирующих прокладок применяются искусственные «воздушные» слои из керамического материала. Использование тонкого керамического порошка облегчает создание более тонких прокладок, которые, в свою очередь, ведут к более медленному насыщению индуктивности.

Преимущества многослойных индукторов

Серия CIG22 демонстрирует повышение производительности благодаря негативному прессованию и применению тонкого порошка (рис. 4). Первоначально в CIG22B эти технологии применены не были. При 2. А достигается насыщение 30% при R_dc = 150 мОм. Здесь применена технология простой трафаретной печати и два изолирующих слоя.

В серии CIG22H удается снизить сопротивление постоянного тока до 78 мОм благодаря негативному прессованию.
В новейшей серии CIG22E применены обе технологии; изолирующие слои образуют в пять раз более тонкие пласты.
За счет этого CIG22E достигают более высокого тока при насыщении 30% — 2,2 А.

Во многих областях применения MPI имеют ряд преимуществ по сравнению с катушечными индукторами. Процесс насыщения в индукторах MPI начинается сразу с увеличением тока, однако происходит медленно. Это оказывает позитивное влияние на КПД преобразователей DC/DC, особенно при изменяющихся нагрузках (рис. 5).

Если сравнить различные методы индукции в реальном преобразователе DC/DC, то преимущества MPI по сравнению с катушечным индуктором становятся очевидными. На рис. 6. видно, что КПД в оптимуме практически идентичен, а по всему спектру значений четко обнаруживаются преимущества MPI.

Металлические сплавы

В связи с ограничением индукторов MPI по силе тока до примерно 3. А и размером 2520, SEMCO разрабатывает следующую серию мощностных индукторов. Она базируется на технологии, аналогичной производству проводных плат.
И в этом случае SEMCO опирается на собственный многолетний опыт разработки технологии и оптимизирует его для применения в области производства новых индукторов. До сих пор имеются лишь немногочисленные предложения по значениям 1 мкH размеров 2016 и 2520. Тем не менее портфолио постоянно расширяется.

Области применения

Основными областями применения как для MPI, так и для индукторов металлических сплавов являются мобильные приборы и POS-системы, сенсоры на батарейках (улавливатели дыма, световые сенсоры и пр.), электробайки, а также такие затратные области, как драйверы питания светодиодов, ресиверы цифрового телевидения, промышленные ПК.

Заключение

Благодаря успехам SEMCO многослойные индукторы могут сегодня с успехом заменять катушечные индукторы во многих областях. Их преимущества:

• экономия затрат;
• более простое и быстрое оборудование стандартными моделями;
• не требуется дополнительное склеивание;
• лучшая технология насыщения по сравнению с проволочными катушками;
• повышенный КПД DC/DC-преобразователей при повышенных частотах.