CC BY
184Тадаси ТАнАкА (Tadashi TANAKA)
Введение
В настоящее время в силовых цепях мобильных устройств с батарейным питанием используются рабочие напряжения различного диапазона. Например, обычный мобильный телефон может содержать формирователь сигналов ЖК-дисплея, модуль усилителя мощности и силовые цепи микросхем обработки немодулированного сигнала, причем все эти функциональные элементы имеют разное рабочее напряжение. По этой причине возникает необходимость в преобразователях постоянного тока, которые будут конвертировать напряжение питания устройства в номинальное рабочее напряжение каждой из этих схем.
DC/DC-конверторы должны обладать качествами, способствующими снижению энергопотребления и продлению автономной работы от аккумулятора. В этой связи широкое применение нашли неизолирован-
Рис. 1. Типовой внешний вид силовой катушки индуктивности серии LQH
Силовые катушки индуктивности для преобразователей постоянного тока:
акцент на миниатюризации
В числе требований, предъявляемых к силовым катушкам индуктивности для современных электронных устройств, одно из важнейших мест занимают миниатюризация и повышение энергетического кПД (снижение сопротивления постоянному току). В статье описываются последние технические усовершенствования, внедренные компанией Murata в ответ на эти требования.
ные чопперные повышающе-понижающие преобразователи. Ключевым компонентом таких схем является силовая катушка индуктивности, потери на которой существенно влияют на КПД всего преобразователя.
С повышением быстродействия и уменьшением размеров и веса электронных устройств DC/DC-преобразователи также должны становиться миниатюрнее и легче. Кроме того, от обычных проволочных катушек требуется работа на более высоких частотах переключения. Эти требования рынка стимулируют разработку новых технологий.
Структура
с замкнутым магнитным потоком
Проволочные катушки индуктивности экранируются для предотвращения рассеяния магнитного потока. В компонентах серии LQH (рис. 1) используется структура с замкнутой магнитной индукцией: их об-
мотка экранирована со всех сторон путем покрытия эпоксидной смолой с наполнителем из магнитного порошка (рис. 2), которая предотвращает рассеяние магнитного потока. Элементы этой серии имеют более простую структуру, чем большинство из представленных сегодня на рынке силовых катушек индуктивности с замкнутым магнитным потоком на базе тороидальных ферритовых сердечников. Благодаря такой конструкции в дросселях серии LQH максимально используется пространство намотки, что позволяет уменьшить их общие габариты и высоту за счет большей компактности конструкции.
Максимально допустимый ток проволочной катушки индуктивности определяется характеристикой постоянного тока намагничивания. Последняя, в свою очередь, зависит от токовой характеристики индуктивности, вид которой изменяется с ростом температуры, вызванным тепловыделением из-за активных потерь на обмотке. Обе эти
_ . ьіиііміиапаїїшсп
Структура катушек серии 1_0Н с тороидальным ферритовым
сердечником
Рис. 2. Структура с замкнутым магнитным потоком с использованием покрытия из синтетической смолы с магнитным порошковым наполнителем
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 ’2010
Рис. 3. Повышение максимально допустимого тока
100%
Частота = 1 МГц
Уіп = 3,6В/УоиІ = 15В
Катушка индуктивности Мига1а 1_С)НЗМРМ220МС0 (индуктивность 22 мкГн)
Катушка индуктивности другого производителя с тороидальным ферритовым сердечником размерами 4,0x4,Ох 1,2 мм (индуктивность 22 мкГн)
10
Ток нагрузки, мА
Рис. 5. Результаты сравнительных испытаний катушки индуктивности Murata и катушки с тороидальным ферритовым сердечником
характеристики удалось улучшить путем оптимизации структуры и состава магнитопорошкового наполнителя. В конструкции силовых катушек индуктивности компании Murata достигнуто оптимальное сочетание этих двух параметров, обеспечивающее наибольшее значение максимально допустимого тока. Рис. 3 дает представление о позитивных изменениях конструкции проволочных катушек индуктивности компании Murata, позволивших улучшить их токовые характеристики.
В качестве примера на рис. 4 показан график КПД DC/DC-конвертора, оснащенного катушкой индуктивности из ассортимента компании Murata (LQH3NPN220N, индуктивность 22 мкГн, размеры 3x3 мм). Для оценки компанией Мшгаїа использовался повышающий преобразователь постоянного тока с частотой переключения 1 МГц. В целях сравнения специалисты компании Мш^а измерили характеристики той же схемы при использовании катушки другого производителя с тороидальным ферритовым сердечником размером 4х4х1,2 мм. Испытания показали, что, хотя объем катушки серии LQH составляет менее половины от объема дросселя с тороидальным сердечником, компонент LQH обеспечивает ту же эффективность преобразования. Таким образом, использование элементов данной серии позволяет уменьшить габариты и профиль мобильной аппаратуры.
Технологии изготовления сердечников
Обычные ферритовые сердечники для силовых катушек индуктивности изготавливаются из ферритового порошка методом формования с последующим обжигом. Однако данному способу свойственно множество ограничений, существенно уменьшающих гибкость конструирования. Компания Murata разработала технологию фрезерования сердечников, ускоряющую
изготовление, повышающую гибкость этого процесса и улучшающую характеристики готового изделия. Новый метод дает возможность делать сердечники полностью круглыми: ранее форма сердечников была ближе к прямоугольной, а сопротивление постоянному току получалось выше (рис. 5). Снижение активного сопротивления, свойственное идеально круглым сердечникам, позволяет повысить общее значение КПД DC/DC-преобразователя.
Силовые катушки индуктивности с применением новейших технологий
Недавно компания Мш^а выпустила два новых изделия, в которых используются описанные выше технологические новинки — проволочные силовые катушки индуктивности среднего размера LQH6PP и LQH88P с размерами посадочного места 6x6 и 8x8 мм соответственно. Низкопрофильная катушка LQH6PP имеет высоту 4,5 мм, а катушка LQH88P еще тоньше — всего 4,0 мм. Эти изделия особенно хорошо подходят для применения в DC/DC-конверторах телевизоров с плоским экраном, в которых низкий профиль компонентов является одним из основных требований. Несмотря на компактные
размеры, новейшие методы конструирования позволили выпустить эти катушки в широком диапазоне номиналов индуктивности — от 1,0 до 100 мкГн. Дроссели серии LQH6PP имеют номинальный ток до 7,2 А (модель индуктивностью 1,0 мкГн), а серия LQH88P характеризуется еще большим номинальным током — до 11,2 А.
Заключение
К числу последних достижений в технологии производства силовых дросселей относятся внедрение методов изготовления ферритовых сердечников фрезерованием и экранирование синтетической смолой с магнитным порошковым наполнителем. Эти новшества оказали существенное влияние на характеристики силовых катушек индуктивности. Несмотря на чрезвычайную компактность, новые типы дросселей рассчитаны на большие номинальные токи и имеют пониженное сопротивление постоянному току, что способствует повышению КПД всей конструкции. Компания Mшrata полна решимости энергично реагировать на все запросы рынка силовых катушек индуктивности — в частности, удовлетворяя спрос на миниатюрные компоненты с повышенной токонесущей способностью. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2010
www.kit-e.ru
