การใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กเพื่อประหยัดพื้นที่ ลดการสูญเสีย และเพิ่มความสมบูรณ์และประสิทธิภาพของพลังงาน

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบสำคัญในการออกแบบตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากมีบทบาทในการกักเก็บและกู้คืนพลังงาน ตัวเหนี่ยวนำจึงอยู่ในเกือบทุกวงจรที่ควบคุมพลังงาน เนื่องจากการใช้งานต่างๆ มีแนวโน้มมุ่งไปที่การออกแบบที่เล็กลงและกะทัดรัดมากขึ้น ซึ่งจะต้องมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานเพิ่มมากขึ้น นักออกแบบจึงต้องมีความรอบคอบมากขึ้นในการเลือกตัวเหนี่ยวนำเพื่อรองรับแนวโน้มเหล่านี้ ขณะเดียวกันก็ต้องรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นด้วย

การลดการสูญเสียพลังงานและการปรับปรุงประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการออกแบบและวัสดุแกนเหนี่ยวนำเป็นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กจะช่วยลดปริมาตรของตัวเหนี่ยวนำ ในขณะเดียวกันก็ให้ประโยชน์เหมือนตัวเหนี่ยวนำแบบธรรมดาทุกประการ พร้อมด้วยการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่ดีขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และการสูญเสียแกนที่ต่ำลง

บทความนี้อธิบายเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำและความเหนี่ยวนำโดยสังเขป จากนั้นจึงนำตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กจาก Abracon LLC และกล่าวถึงการเลือกและการประยุกต์ใช้

ตัวเหนี่ยวนำและความเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองขั้วที่จัดเก็บและกู้คืนพลังงานในรูปแบบของสนามแม่เหล็ก โดยทั่วไปจะมีรูปร่างเป็นลวดหุ้มฉนวนที่พันบนขดลวด กระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าภายในขดลวด หากกระแสไฟฟ้าที่ใช้มีการเปลี่ยนแปลง จะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาซึ่งจะเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ในตัวนำ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีขั้วที่ต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นมา ตัวเหนี่ยวนำมีลักษณะเฉพาะคือความเหนี่ยวนำซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า โดยเฮนรี่ (H) คือหน่วยของความเหนี่ยวนำ ซึ่งสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการสร้างคอยล์ที่มีรอบมากขึ้น สร้างหน้าตัดที่ใหญ่ขึ้น ลดความยาวคอยล์ หรือใช้แกนที่มีวัสดุที่มีค่าการซึมผ่านสูงที่สูงขึ้น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แสดงให้เห็นปัจจัยที่กำหนดการเหนี่ยวนำของขดลวด (แหล่งที่มาภาพ: Abracon)

สภาพให้ซึมผ่านได้ทางแม่เหล็กเป็นคุณลักษณะทางแม่เหล็ก และวัสดุแกนที่มีความสามารถในการซึมผ่านสูงจะสร้างความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กที่สูงขึ้น ช่วยให้สามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้น ดังนั้น ความเหนี่ยวนำยังเป็นสัดส่วนกับความสามารถในการซึมผ่านของวัสดุแกนของตัวเหนี่ยวนำด้วย แกนที่มีความซึมผ่านได้สูงสามารถลดขนาดและน้ำหนักของตัวเหนี่ยวนำได้โดยไม่ลดค่าเหนี่ยวนำ ส่งผลให้แพ็คเกจโดยรวมมีขนาดเล็กลงและเบากว่า

วัสดุแกนประกอบด้วยอากาศ เหล็ก เหล็กกล้า ผงเหล็ก ผงโลหะ เซรามิก และเฟอร์ไรต์ โดยเฟอร์ไรต์เป็นวัสดุเซรามิกที่ผสมกับผงเหล็กออกไซด์และ/หรือผงโลหะอื่นๆ เพื่อให้ได้วัสดุแกนกลางที่มีความสามารถในการซึมผ่านสูง แกนผงใช้ผงโลหะแม่เหล็กผสมกับสารยึดเกาะและสารเคลือบ การเลือกใช้โลหะ สารยึดเกาะ และแม้กระทั่งการรวมฟองอากาศเข้าไปในส่วนผสม จะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการซึมผ่านของวัสดุแกนกลางที่ได้

ข้อมูลจำเพาะของตัวเหนี่ยวนำ

ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญสำหรับตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในการใช้พลังงาน ได้แก่ ความเหนี่ยวนำ ความต้านทาน DC (DCR), กระแสอิ่มตัว, กระแสที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ, กระแสไฟฟ้าที่กำหนด, ความถี่เรโซแนนซ์ของตนเอง (SRF) และปัจจัยคุณภาพ (Q)

DCR บางครั้งเรียกว่าการสูญเสียในสาย เป็นค่าความต้านทานที่วัดได้ของตัวเหนี่ยวนำสำหรับแหล่งจ่าย DC โดย DCR จะเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของความเหนี่ยวนำเนื่องมาจากความยาวและพื้นที่หน้าตัดของลวด ตัวเหนี่ยวนำพลังงานโดยทั่วไปจะมี DCR ในระดับสิบมิลลิโอห์ม (mΩ) เพื่อให้แน่ใจว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำ ในกรณีส่วนใหญ่ DCR จะระบุเป็นค่าพิกัดสูงสุด

เมื่อกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น สนามแม่เหล็กก็จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนจนกระทั่งถึงจุดอิ่มตัว เมื่อถึงจุดนี้ ความสามารถในการซึมผ่านจะเริ่มลดลง การเพิ่มกระแสเกินจุดนี้จะทำให้ค่าเหนี่ยวนำลดลง กระแสอิ่มตัวคือกระแสที่ความต้านทานลดค่าเหนี่ยวนำที่กำหนดลงในปริมาณที่กำหนด โดยตัวเหนี่ยวนำกำลังโดยทั่วไปจะใช้ค่าลดลง 10 ถึง 30% เป็นขีดจำกัดของข้อกำหนด

กระแสที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะระบุเป็นระดับ DC โดยที่อุณหภูมิของตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้น 40°C

กระแสไฟฟ้าที่กำหนดจะระบุเป็นค่าต่ำสุดของกระแสไฟฟ้าอิ่มตัวหรือกระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ช่วยให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถทำงานได้ต่ำกว่าขีดจำกัดระหว่างขีดจำกัดสองขีดจำกัดที่น้อยกว่า

SRF คือความถี่ที่ค่ารีแอคแตนซ์ของความจุปรสิตของตัวเหนี่ยวนำมีค่าเท่ากับค่ารีแอคแตนซ์ ณ จุดนี้ ตัวเหนี่ยวนำทำงานเป็นวงจรเรโซแนนซ์แบบขนาน รีแอคแตนซ์สุทธิเป็นศูนย์ และอิมพีแดนซ์สูงมากและต้านทานได้ทั้งหมด โดยทั่วไปตัวเหนี่ยวนำจะทำงานต่ำกว่าค่า SRF ในการใช้พลังงาน

ค่า Q ของตัวเหนี่ยวนำคือการวัดประสิทธิภาพและเป็นอัตราส่วนของรีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำต่อความต้านทานที่ความถี่ที่กำหนด โดยค่า Q ที่สูงขึ้นหมายถึงการสูญเสียที่น้อยลง และพฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำที่ใกล้เคียงยิ่งขึ้นก็สะท้อนถึงพฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบหล่อ

ตัวเหนี่ยวนำพลังงานแบบหล่อขึ้นรูปเป็นอุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว (SMD) ที่ใช้เทคโนโลยีการหล่อขึ้นรูปเพื่อห่อและหุ้มขดลวดของตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งต่างจากตัวเหนี่ยวนำแบบพันลวดแบบดั้งเดิม วัสดุผงแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อจะถูกกดเข้าไปในแม่พิมพ์รอบขดลวดที่ล้อมรอบตัวนำ สารประกอบการขึ้นรูปโดยทั่วไปจะเป็นผงโลหะและสารยึดเกาะ ทำหน้าที่กำหนดความสามารถในการซึมผ่านของแกนตัวเหนี่ยวนำ การเติมผงโลหะให้การตอบสนองความอิ่มตัวที่นุ่มนวลกว่าสารตัวเติมเฟอร์ไรต์ นอกจากนี้ ยังให้การป้องกันแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้การรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็กต่ำ ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อเป็นส่วนประกอบที่เป็นของแข็งที่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยปกป้องจากความชื้น ฝุ่น แรงกระแทก และการสั่นสะเทือน ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขึ้นรูปจะไม่ปล่อยเสียงรบกวนเนื่องจากไม่มีแกนที่เคลือบหลายชั้น โครงสร้างแบบชิ้นเดียวเรียบง่ายทำให้มีเสถียรภาพเชิงกลที่ดีเยี่ยม และมีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา

ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กของ Abracon นำเสนอข้อดีทั้งหมดของตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อในแพ็คเกจขนาดเล็กที่มีความยาวไม่เกิน 3 มิลลิเมตร (มม.) นอกจากขนาดที่กะทัดรัดแล้ว ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กยังมีความหนาแน่นของพลังงานสูง การสูญเสียแกนและการนำไฟฟ้าต่ำ และการป้องกัน EMI ที่ยอดเยี่ยม

ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กซีรีส์ AOTA-B1412 และ AOTA-B2012 นี้มีให้เลือกใช้โดยมีช่วงเหนี่ยวนำตั้งแต่ 0.11 ถึง 2.2 ไมโครเฮนรี (µH) และมีขนาดบรรจุภัณฑ์ตั้งแต่ 1.4 x 1.2 มม. (0.055 x 0.047 นิ้ว) ถึง 2.0 x 1.2 มม. (0.079 x 0.047 นิ้ว) โดยมีความสูงสูงสุดเพียง 0.65 มม. (0.026 นิ้ว) ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้รองรับกระแสไฟฟ้าที่กำหนดตั้งแต่ 1.9 ถึง 6.4 แอมแปร์ (A) และมีอุณหภูมิทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +125°C

ตัวอย่างจากซีรีย์ AOTA-B2012 คือ Abracon รุ่น AOTA-B201208SR11MT ตัวเหนี่ยวนำ SMD แบบหล่อขนาดเล็ก 0.11 µH ที่มีกระแสไฟฟ้าที่กำหนด 5.6 A และกระแสไฟฟ้าอิ่มตัว 10 A (รูปที่ 2) ซึ่งมี DCR 13 mΩ และ SRF 185 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ติดตั้งในแพ็คเกจขนาด 2.0 มม. x 1.2 มม. (0.079" x 0.047") โดยมีความสูงที่ 0.8 มม. (0.031")

รูปที่ 2: AOTA-B201208SR11MT คือตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กของ Abracon ทั่วไปในแพ็คเกจ SMD ขนาดต่ำกว่า 3 มม. ที่ช่วยปกป้องจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ความชื้น ฝุ่น แรงกระแทก และการสั่นสะเทือน (แหล่งที่มาภาพ: Abracon)

ตัวเหนี่ยวนำระดับบนของซีรีย์ Abracon AOTA-B2012 คือ AOTA-B201208S2R2MT มีความเหนี่ยวนำ 2.2 µH กระแสไฟฟ้าปกติที่ 1.8 A, DCR 130 mΩ และ SRF 42 MHz ความเหนี่ยวนำที่สูงขึ้นต้องใช้จำนวนรอบที่มากขึ้น ซึ่งจะเพิ่ม DCR และลดกระแสไฟฟ้าที่กำหนดและ SRF เมื่อเทียบกับ AOTA-B201208SR11MT ขนาดแพ็คเกจเท่ากับ AOTA-B201208SR11MT, 2.00 มม. x 1.20 มม. (0.079" x 0.047") และความสูง 0.8 มม. (0.031")

ตัวอย่างของซีรีย์ Abracon AOTA-B1412 ได้แก่ AOTA-B141206SR33MT และAOTA-B141206SR47MT ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กเหล่านี้มีแพ็คเกจที่เล็กที่สุด โดยมีขนาด 1.4 มม. x 1.2 มม. (0.055" x 0.047") และความสูงแพ็คเกจเพียง 0.65 มม. (0.026") AOTA-B141206SR33MT มีค่าเหนี่ยวนำ 0.33 µH กระแสไฟฟ้าที่กำหนด 3.5 A DCR 32 mΩ และ SRF 120 MHz AOTA-B141206SR47MT มีค่าเหนี่ยวนำ 0.47 µH กระแสไฟฟ้าที่กำหนด 2.9 A DCR 41 mΩ และ SRF 115 MHz

การใช้งานสำหรับตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็ก

แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กของ Abracon ก็สามารถจัดการพลังงานที่มากด้วยการสูญเสียพลังงานแกนและสื่อกระแสไฟฟ้าที่ต่ำ พร้อมทั้งยังมีการป้องกัน EMI ที่เหนือกว่าอีกด้วย คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการตอบสนองความต้องการที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับตัวแปลงพลังงานในรูปแบบแฟกเตอร์ที่เล็กลงเรื่อยๆ

การใช้งานทั่วไปของส่วนประกอบเหล่านี้ได้แก่ การแยกพลังงาน การกรอง และตัวแปลง DC/DC (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การใช้งานตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กของ Abracon ทั่วไป ได้แก่ การแยกพลังงาน การกรอง และตัวแปลง DC/DC (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

การแยกวงจรรวมออกจากบัสกำลังใช้ค่าความต้านทานแปรผันความถี่ของตัวเหนี่ยวนำรวมกับลักษณะความต้านทานเสริมของตัวเก็บประจุเพื่อลดทอนสัญญาณความถี่สูงและสัญญาณรบกวน โดยแยกสัญญาณเหล่านี้ออกจากอินพุตกำลังของวงจรรวม DCR ต่ำและ SRF สูงเป็นคุณลักษณะของตัวเหนี่ยวนำที่สำคัญ

ตัวกรองจะควบคุมการตอบสนองความถี่ของเส้นทางสัญญาณ และสามารถกำหนดค่าเป็นความถี่ต่ำ ความถี่สูง แบนด์พาส หรือแบนด์สต็อปได้ ตัวกรองตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LC) ให้การตอบสนองแบบเลือกความถี่แบบพาสซีฟสำหรับอุปกรณ์พลังงานต่ำที่ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แอ็คทีฟ

ตัวเหนี่ยวนำเป็นองค์ประกอบหลักในการกักเก็บพลังงานในตัวแปลง DC/DC ซึ่งจะเก็บพลังงานไว้ในขณะที่สวิตช์ปิด และจะนำกลับมาใช้ใหม่เมื่อสวิตช์เปิด

สรุป

ตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อขนาดเล็กของ Abracon นำเสนอข้อได้เปรียบของตัวเหนี่ยวนำแบบหล่อในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดที่มีขนาดเล็กกว่า 3 มม. ถึงแม้จะมีขนาดเล็ก แต่ก็สามารถจัดการกับระดับพลังงานที่สำคัญพร้อมกับการสูญเสียแกนกลางและการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลังงานจะมีความสมบูรณ์อย่างยอดเยี่ยมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก