電感器是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗軌蛞种?AC 紋波電流，從而在輸出中提供平滑的 DC 電流。一代的電子設(shè)備非常緊湊，并且具有越來越先進(jìn)的功能。它們通常由電池供電，需要高能效，從基本組件開始，例如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的電感器。由于電感器的效率嚴(yán)格取決于磁芯和繞組損耗，因此它應(yīng)吸收紋波電流，同時將損耗降至。本文將介紹一種新穎的功率電感器設(shè)計(jì)，用于緊湊型大電流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，即使在高頻下也適用。該電感器基于鐵 (Fe) 基合金粉末，與傳統(tǒng)的鐵氧體電感器相比，具有更高的效率和更小的尺寸，表現(xiàn)出卓越的性能。閱讀原文在這里。
    性能與尺寸
    今天，工程師需要設(shè)計(jì)更小的電源，以提高為 FPGA 和 GPU 等 IC 供電的效率，這些 IC 以較低的電壓和較大的電流著稱。1,2減小的體積不僅提升了用戶體驗(yàn)，而且還降低了制造和交付費(fèi)用。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，常見的做法是提高開關(guān)頻率，3這也有助于減小電感器和電容器的尺寸。4,5然而，以更高的頻率運(yùn)行會影響整體效率和熱管理。因此，功率電感器應(yīng)該能夠在大電流下以的功率損耗工作。
    市場上的功率電感器主要有兩種類型：鐵氧體和金屬復(fù)合材料。由于其高磁導(dǎo)率，線繞鐵氧體是高電感應(yīng)用的理想選擇。然而，其較小的飽和磁通密度限制了功率電感器尺寸的減小，并涉及熱管理問題。另一方面，金屬復(fù)合型電感器提供更高的飽和磁通密度，通常由合金粉末和有機(jī)粘合劑制成，線圈模壓在內(nèi)部。然而，在較高溫度下，由于存在有機(jī)樹脂，性能會下降，同時功率損耗會高于鐵氧體電感器。
    新穎的電感設(shè)計(jì)
    新型電感采用名為NPA-F的鐵基合金粉末作為磁性材料，具有低損耗和高飽和的特點(diǎn)。該材料使用氣體霧化法制成球形。即使在高頻下也能確保低渦流損耗，并防止絕緣層開裂。

    NPA-F 的靜態(tài)磁化曲線（如圖 1 所示）展示了這種材料的飽和磁化強(qiáng)度如何也適用于處理大電流。此外，合金粉末材料的導(dǎo)熱系數(shù)是鐵氧體的10倍，這意味著它們更容易散熱。

    NPA-F 的靜態(tài)磁化曲線。
    圖 1：NPA-F 的靜態(tài)磁化曲線
    新型電感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。磁芯由金屬合金粉末NPA-F組成，包裹在嵌入式單匝銅繞組中。整體尺寸非常緊湊 (11 × 7 × 6.5 mm)，而 100 kHz 時的電感約為 173 nH，直流電阻為 0.17 mΩ。
    因?yàn)樗哂邢鄬^高的磁導(dǎo)率，所以只需要一個單匝繞組即可提供所需的電感。此外，該結(jié)構(gòu)在繞組和磁性材料之間沒有留下間隙，增加了熱導(dǎo)率并減輕了磁通泄漏問題。

    電感的基本結(jié)構(gòu)。

    圖 2：電感的基本結(jié)構(gòu)
    試驗(yàn)臺
    為了評估電感器的性能，我們使用了一個現(xiàn)成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器評估板（包括幾個 Texas Instruments TPS546D24A 器件）作為測試臺。TPS546D24A 是一款高效 40A 降壓轉(zhuǎn)換器，提供從 225kHz 到 1.5MHz 的 12 個可選開關(guān)頻率。該評估板可產(chǎn)生 0.8V 穩(wěn)壓輸出電壓，電流為 80A。
    該評估板上安裝了兩個商用屏蔽功率電感器（Coilcraft 的 SLC1480-151MLD）。圖 3 顯示了原始電感器與建議電感器之間的比較。SLC1480-151MLD 具有鐵氧體磁芯，整體尺寸為 12.95 × 13.46 × 8 mm，100 kHz 時的電感為 150 nH，直流電阻為 0.15 mΩ。由于鐵氧體的高磁導(dǎo)率，需要0.5mm的氣隙來延遲磁通飽和。從圖 3 可以看出，金屬電感的體積和重量分別僅為鐵氧體電感的 43.9% 和 64.6%，這是減小轉(zhuǎn)換器尺寸的關(guān)鍵因素。

    測得的電感與頻率的關(guān)系如圖 4 所示，是通過使用 LCR 表測試兩種類型的電感器獲得的。金屬電感器的特性一直增加到 500 kHz，因此與 100 kHz 的鐵氧體電感器相比具有更高的電感。兩個電感都在 2 MHz 以上迅速下降。

    測得的電感與頻率的關(guān)系。
    圖 4：測得的電感與頻率的關(guān)系
    圖 5 顯示了在 1 MHz 時測得的電感與負(fù)載電流的關(guān)系。由于 0.5 毫米氣隙的影響，鐵氧體電感器的電感在高達(dá) 80 A 時幾乎保持恒定。在這個飽和點(diǎn)之后，它下降迅速。如果發(fā)生意外的電流浪涌，這可能是一個問題。金屬電感不會發(fā)生這種情況，因?yàn)?NPA-F 的飽和磁通密度幾乎是鐵氧體的 3 倍。

    在 1 MHz 時測得的電感與負(fù)載電流的關(guān)系。

    圖 5：1 MHz 時測得的電感與負(fù)載電流的關(guān)系
    轉(zhuǎn)換器效率初在帶有兩個 SLC1480-151MLD 電感器的原始評估板上進(jìn)行了測試，然后替換為兩個建議的電感器。
    結(jié)果表明，一般而言，金屬電感器提供更好的性能。在 500 kHz 時，從 10 A 到 80 A 的整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率都得到提高。此外，金屬電感器的平均溫升比鐵氧體電感器低 4K。在更高的頻率下，金屬電感器仍能實(shí)現(xiàn)更高的效率，在 900 kHz 時提高了約 0.7%，在 1.5 MHz 時提高了 0.5%。
    測試結(jié)果還表明，NPA-F 磁芯引起的功率損耗具有競爭力，所提出的電感器可以在高頻下高效運(yùn)行，有助于減輕重量和尺寸，并提供出色的熱管理。