미니 성형 인덕터를 사용하여 공간 절약, 손실 감소, 전력 무결성 및 효율성 향상

인덕터는 전압 컨버터 및 조정기 설계에서 매우 중요한 부품입니다. 에너지를 저장하고 복구하는 기능을 수행하기 때문에 인덕터는 전력을 조절하는 거의 모든 회로에 사용됩니다. 응용 제품의 추세가 더 높은 전력 효율을 필요로 하는 작고 콤팩트한 설계를 지향함에 따라, 설계자는 더 높은 전류를 처리하면서 이러한 추세를 수용하려면 더욱 신중하게 인덕터를 선택해야 합니다.

전력 손실을 줄이고 효율을 향상하는 것은 인덕터의 설계와 코어 재료에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 미니 성형 인덕터를 사용하면 인덕터 부피를 줄이면서 기존 인덕터의 모든 장점과 함께 전자파 장해(EMI) 차폐, 높은 출력 밀도, 낮은 코어 손실 등의 이점을 누릴 수 있습니다.

이 기사에서는 인덕터 및 유도 용량을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Abracon LLC의 미니 성형 인덕터를 소개하고 해당 제품의 채택 및 응용 분야에 대해 설명합니다.

인덕터 및 유도 용량

인덕터는 자기장의 형태로 에너지를 저장하고 회수하는 2단자 수동 소자 부품입니다. 일반적으로 절연 전선이 코일에 감겨 있는 모습입니다. 인덕터에 전류가 인가되면 코일 내 해당 전류에 비례하여 자기장이 생성됩니다. 인가된 전류가 변경되면 컨덕터에서 기전력(EMF)을 유도하는 시간 가변성 자기장이 생성됩니다. 유도된 전압은 전압을 발생시킨 전류 변화에 반대되는 극성을 가집니다. 인덕터의 특성은 전류의 변화율에 대한 유도 전압의 비율인 유도 용량에 따라 분류됩니다. 유도 용량의 단위는 헨리(H)이며, 코일의 감긴 횟수를 늘리거나, 더 큰 단면을 만들거나, 코일 길이를 줄이거나, 투과성이 높은 소재로 된 코어를 사용하여 유도 용량을 높일 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 코일의 유도 용량을 결정하는 요인을 보여줍니다. (이미지 출처: Abracon)

투과성은 자기적 특성이며, 투과성이 높은 코어 재료를 사용하면 더 높은 밀도의 자기 플럭스가 생성되어 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 따라서 유도 용량은 인덕터 코어 재료의 투과성에도 비례합니다. 투과성이 높은 코어를 사용하면 유도 용량 값을 줄이지 않고 인덕터의 크기와 무게를 줄일 수 있으므로, 전체 패키지를 더 작고 가볍게 만들 수 있습니다.

코어 재료에는 공기, 철, 강철, 철가루, 금속 분말, 세라믹 및 페라이트가 포함됩니다. 페라이트는 분말 산화철 및/또는 기타 분말 금속과 결합된 세라믹 소재이며, 높은 투과성을 가진 코어 재료를 제공합니다. 분말 코어는 바인더와 코팅이 혼합된 분말 자기 금속을 사용합니다. 선택한 금속 및 바인더와 혼합물의 기포 함유 여부에 따라 결과물인 코어 재료의 투과성이 결정됩니다.

인덕터 사양

전력 응용 분야에 사용되는 인덕터의 중요한 사양은 유도 용량, DC 저항(DCR), 포화 전류, 온도 상승 전류, 정격 전류, 자체 공진 주파수(SRF) 및 품질 계수(Q)입니다.

DCR(전선 손실이라고도 함)은 DC 소스에 대한 인덕터의 측정 저항입니다. DCR은 전선의 길이와 단면적에 따라 유도 용량에 비례하여 달라집니다. 전력 인덕터의 DCR은 낮은 전도 손실을 보장할 수 있도록 수십 밀리옴(mΩ)인 것이 보통입니다. 대부분의 경우 DCR은 최대 등급으로 지정됩니다.

인덕터를 통과하는 전류가 증가하면 자기장은 포화 상태에 도달할 때까지 비례해서 증가하며, 포화 상태에 도달하면 투과성이 감소하기 시작합니다. 이 지점 이상으로 전류가 증가하면 유도 용량은 떨어집니다. 포화 전류는 저항으로 인해 특정 양의 공칭 유도 용량을 떨어뜨리는 전류입니다. 전력 인덕터는 보통 10% ~ 30% 감소의 사양 제한을 사용합니다.

온도 상승 전류는 인덕터의 케이스 온도가 40°C 상승하는 DC 레벨로 지정됩니다.

정격 전류는 포화 전류 또는 온도 상승 전류 중 낮은 값으로 지정되어 인덕터가 두 제한 중 낮은 값 이하로 작동할 수 있도록 합니다.

SRF는 인덕터의 기생 정전 용량 리액턴스가 리액턴스와 같아지는 주파수입니다. 이 지점에서 인덕터는 병렬 공진 회로로 작동합니다. 순 리액턴스는 0이고 임피던스는 매우 높으며 완전한 저항성을 띱니다. 인덕터는 일반적으로 전력 응용 분야에서 SRF 이하로 작동합니다.

인덕터의 Q는 효율을 측정하는 척도이며, 주어진 주파수에서 저항에 대한 유도 리액턴스의 비율입니다. Q가 높을수록 손실이 적으며, 인덕터의 동작이 이상적인 인덕터의 동작에 가까워집니다.

성형 전력 인덕터

성형 전력 인덕터는 성형 기술을 사용하여 인덕터의 코일을 둘러싸고 캡슐화하는 표면 실장 장치(SMD)입니다. 기존의 권선 인덕터와 달리 성형 인덕터의 자기 분말 재료는 컨덕터를 감싸는 전선 코일 주위의 성형에 압착됩니다. 일반적으로 분말 금속과 바인더로 구성된 성형 성분에 따라 인덕터 코어의 투과성이 설정됩니다. 분말 금속 필러는 페라이트 필러보다 부드러운 포화 반응을 제공합니다. 또한 매우 효과적인 자기 차폐 기능을 제공하여 자기 플럭스 누설이 적습니다. 성형 인덕터는 열악한 환경에 적합한 고체 부품으로 습기, 먼지, 충격, 진동으로부터 보호합니다. 성형 인덕터는 라미네이트 코어가 없기 때문에 음향 잡음을 방출하지 않습니다. 간단한 일체형 구조가 적용되어 기계적 안정성이 뛰어나며 콤팩트하고 가볍습니다.

Abracon의 미니 성형 인덕터는 3mm 미만의 소형 패키지에서 성형 인덕터의 모든 이점을 제공합니다. 미니 성형 인덕터는 콤팩트한 크기 외에도 높은 출력 밀도, 낮은 코어 및 전도 손실, 뛰어난 EMI 차폐 성능을 제공합니다.

AOTA-B1412 및 AOTA-B2012 계열 미니 성형 인덕터는 0.11µH ~ 2.2µH 유도 용량 범위로 제공되며 패키지 크기는 1.4mm x 1.2mm(0.055인치 x 0.047인치) ~ 2.0mm x 1.2mm(0.079인치 x 0.047인치)이고, 최대 높이는 0.65mm(0.026인치)에 불과합니다. 이 인덕터는 1.9A ~ 6.4A의 정격 전류를 처리하며 -40°C ~ +125°C 온도 범위에서 작동하도록 정격화되었습니다.

AOTA-B2012 계열의 예로는 정격 전류가 5.6A이고 포화 전류가 10A인 0.11µH SMD 미니 성형 인덕터인 Abracon AOTA-B201208SR11MT가 있습니다(그림 2). DCR은 13mΩ이고, SRF는 185MHz입니다. 높이가 0.8mm(0.031")인 2.0mm x 1.2mm(0.079" x 0.047") 패키지로 실장됩니다.

그림 2: AOTA-B201208SR11MT는 습기, 먼지, 충격, 진동 등의 환경 요인으로부터 보호하는 3mm 미만 SMD 패키지의 일반 Abracon 미니 성형 인덕터입니다. (이미지 출처: Abracon)

Abracon AOTA-B2012 계열의 상위 유도 용량 범위에는 유도 용량이 2.2µH, 정격 전류가 1.8A이고, DCR이 130mΩ, SRF가 42MHz인 AOTA-B201208S2R2MT가 있습니다. 유도 용량이 높을수록 더 많이 감겨야 하므로 AOTA-B201208SR11MT에 비해 DCR은 증가하고 정격 전류 및 SRF은 감소합니다. 패키지 크기는 2.00mm x 1.20mm(0.079" x 0.047"), 높이 0.8mm(0.031")로 AOTA-B201208SR11MT와 동일합니다.

Abracon AOTA-B1412 계열의 예로는 AOTA-B141206SR33MT 및 AOTA-B141206SR47MT가 있습니다. 이 미니 성형 인덕터의 패키지는 가장 작은 경우 크기는 1.4mm x 1.2mm(0.055" x 0.047")이고 패키지 높이는 0.65mm(0.026")에 불과합니다. AOTA-B141206SR33MT의 유도 용량은 0.33µH, 정격 전류는 3.5A이며, DCR은 32mΩ, SRF는 120MHz입니다. AOTA-B141206SR47MT의 유도 용량은 0.47µH, 정격 전류는 2.9A이며, DCR은 41mΩ, SRF는 115MHz입니다.

미니 성형 인덕터 응용 분야

Abracon 미니 성형 인덕터는 작은 크기에도 불구하고 낮은 코어 및 전도 손실로 상당한 전력을 처리하는 동시에 우수한 EMI 차폐 기능을 제공합니다. 이러한 특징으로 인해 점점 소형화되는 폼 팩터의 전력 컨버터에 대한 전례 없는 수요를 충족할 수 있는 이상적인 제품의 자격을 갖추고 있습니다.

이러한 부품의 일반적인 응용 제품으로는 전력 감결합, 필터링, DC/DC 컨버터 등이 있습니다(그림 3).

그림 3: 일반적인 Abracon 미니 성형 인덕터 응용 제품으로는 전력 감결합, 필터링, DC/DC 컨버터 등이 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

전력 버스에서 집적 회로를 감결합하면 커패시터의 보완 임피던스 특성과 결합된 인덕터의 주파수 가변 임피던스를 활용하여 고주파 신호와 잡음을 감쇠하여 집적 회로 전력 입력으로부터 분리할 수 있습니다. 낮은 DCR과 높은 SRF는 인덕터의 중요한 특성입니다.

필터는 신호 경로의 주파수 응답을 제어하며 저역, 고역, 대역 통과 또는 대역 저지 필터로 구성될 수 있습니다. 인덕터 커패시터(LC) 필터는 능동 소자가 필요 없는 저전력 장치를 위한 수동 주파수 선택 응답을 제공합니다.

인덕터는 DC/DC 컨버터의 1차 에너지 저장 소자입니다. 스위치가 닫혀 있는 동안 에너지를 저장하고, 스위치가 열리면 에너지를 복구합니다.

결론

Abracon 미니 성형 인덕터는 3mm 미만의 소형 콤팩트 패키지에서 성형 인덕터의 장점을 제공합니다. 작은 크기에도 불구하고 낮은 코어 및 전도 손실로 상당한 전력 레벨을 처리할 수 있으므로, 소형 전자 장치에서 뛰어난 전력 무결성을 보장합니다.