SMD功率電感用高Bs NiZn鐵氧體材料

隨著器件的小型化，對于SMD功率電感的直流疊加特性要求越來越高。電感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和使用高Bs NiZn鐵氧體材料是提高SMD功率電感的直流疊加特性的有效途徑。配方和工藝參數(shù)優(yōu)化是提高NiZn鐵氧體材料的Bs的主要方法。天通公司開發(fā)了對應高直流疊加SMD功率電感用的高Bs NiZn鐵氧體材料系列。

1 引言
軟磁鐵氧體主要包括MnZn、NiZn鐵氧體材料兩大系列，主要應用于計算機、通訊、電源及消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)功能材料。與MnZn鐵氧體相比，NiZn鐵氧體具有高電阻率、高使用頻率等特點，適用于制成各種SMD功率電感。
隨著電子移動終端變得越來越來小，越來越薄，對應DC/DC 轉(zhuǎn)換器的SMD功率電感也需更小，更薄。另外，隨著轉(zhuǎn)換頻率越來越高，功能越來越多，額定電流的要求也越來越高，從而對于功率電感的直流偏置特性的要求也越來越高。這樣對于SMD功率電感的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作功率電感的NiZn鐵氧體材料的電磁性能也提出了更高的要求。
本文先闡述了SMD功率電感及其對直流疊加特性的要求，然后介紹了電感磁芯公司zui近在對應高直流疊加SMD功率電感用高Bs NiZn鐵氧體材料的研發(fā)情況。
2 SMD功率電感介紹
2.1 SMD功率電感的結(jié)構(gòu)與直流偏置特性
如圖1所示，SMD功率電感按照結(jié)構(gòu)來分可以分為無屏蔽式方形功率電感和傳統(tǒng)屏蔽式結(jié)構(gòu)功率電感兩大類。無屏蔽式方形功率電感主要由DRS core和銅線組成，采用磁膠取代RI core，磁膠一般采用鐵氧體磁粉加入樹脂配制而成[1]；傳統(tǒng)屏蔽式結(jié)構(gòu)功率電感一般為帶磁罩式的設(shè)計，主要由磁芯（DR core和RI core）和銅線組成。
圖2為無屏蔽式方形功率電感與傳統(tǒng)屏蔽式功率電感的直流偏置特性對比測試結(jié)果[1]。由圖可見，無屏蔽式方形功率電感的直流偏置特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏蔽式功率電感。無屏蔽式方形功率電感的結(jié)構(gòu)為閉合磁路設(shè)計，往往產(chǎn)品漏磁較少，產(chǎn)品的損耗較小，直流偏置特性好。
可見，通過電感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化可以提高SMD功率電感的直流偏置特性。
2.2 SMD功率電感的直流偏置特性與NiZn鐵氧體材料
直流電流流經(jīng)線圈會產(chǎn)生響應電流的磁通。一旦超過允許的磁通密度，電感量就會降低。直流疊加的飽和電流Is，可以用公式表示[2]：
Is=Bs×S×N/L
式中，Bs為磁心的飽和磁通密度，S為磁心的磁路zui小截面積，L為電感量。
磁心的飽和磁通密度Bs取決于NiZn鐵氧體材料。從上式可以看出，一般說來，NiZn鐵氧體材料的Bs越高，對應的SMD功率電感的直流偏置特性越好。另外，較大的ΔB=Bs-Br也是提高NiZn鐵氧體材料的直流偏置特性的一個方向。較高的Bs和較低的Br使磁芯的飽和磁滯回線向橫軸方向傾斜，磁芯飽和磁化需要更大的外加場，從而改善了磁芯的直流疊加特性[3]。
3 高Bs NiZn鐵氧體材料
3.1 影響材料的Bs的主要因素
NiZn鐵氧體的Bs主要取決于材料的配方對應的飽和磁化強度Ms，要想得到較高的Bs，就必須使用Ms較高的材料配方。圖3為NiZn鐵氧體配方對應的飽和磁化強度Ms特性三角分布[4]。由圖可見，過量的NiO、Zn和Fe2O3均不能得到較高的Bs，高Bs NiZn鐵氧體的*配方點在30%NiO、20%Zn和50%Fe2O3附近。
影響NiZn鐵氧體材料的Bs因素還有砂磨時間、成型密度、燒結(jié)溫度等工藝條件[5]。
表1為砂磨時間對于NiZn鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs的影響。實驗表明，材料的飽和磁感應強度與砂磨粒徑的大小有重要關(guān)系，也就是存在一個*的顆粒粒度及其分布。
表2為壓制密度和燒結(jié)溫度對于NiZn鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs的影響。把同一種材料分別壓制成4種密度的相同生環(huán)，放入同一爐中燒結(jié)，采用了1050℃、1070℃以及1090℃三種溫度來進行燒結(jié)。由實驗結(jié)果可見，隨著密度的升高，磁心的Bs在不同的燒結(jié)溫度中都呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢，也就是說，在不同壓制密度實驗中，密度越大，它的Bs也就越大。
表 1  砂磨時間對于NiZn鐵氧體材料的飽和
磁通密度Bs的影響
 砂磨時間 粒徑分析 Saturation
Magnetic(mt)
  Concentration Mean Diameter(mu) 
實驗1 150 108 1.59 450
實驗2 120 110 1.68 421
實驗3 100 108 1.79 413
實驗4 80 113 1.82 411

表 2  壓制密度和燒結(jié)溫度對于NiZn鐵氧體材料的
飽和磁通密度Bs的影響
 對應編號 壓制密度 Bs
   1050℃ 1070℃ 1090℃
密度范圍(g/cm3) 1 3.0~3.1 395.5 394.1 407.2
 2 3.1~3.2 397.8 395.8 412.7
 3 3.2~3.3 412.4 412.5 415.3
 4 3.3~3.4 422.6 435.7 439.4

3.2 TDG高Bs NiZn鐵氧體材料介紹
  電感磁芯公司根據(jù)客戶的需求，通過優(yōu)選主配方和合適的工藝條件，開發(fā)了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)，對應SMD功率電感的直流偏置特性。如表3所示，高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)的Bs相對于天通公司傳統(tǒng)的TN40H材料有顯著的提升。如圖4所示，TN35B材料的直流偏置特性明顯優(yōu)于與TDG傳統(tǒng)TN40H材料。
4 總結(jié)
(1)無屏蔽式方形功率電感的直流偏置特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏蔽式功率電感。通過電感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化可以提高SMD功率電感的直流偏置特性。
(2)一般說來，NiZn鐵氧體材料的Bs越高，對應的SMD功率電感的直流偏置特性越好。
(3)NiZn鐵氧體的Bs主要取決于材料的配方對應的飽和磁化強度Ms和關(guān)鍵工藝參數(shù)。
(4)電感磁芯公司根據(jù)客戶的需求，開發(fā)了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)，對應SMD功率電感的直流偏置特性。