Руководство по выбору силовых индуктивностей с учетом потока рассеяния

Магнитное экранирование и характеристики, снижающие вклад потока рассеяния силовых индуктивностей

Малогабаритные катушки в SMD исполнении, применяемые в источниках питания различного электронного оборудования, относят к силовым индуктивностям. Основными компонентами в данной группе изделий являются катушки, в которых реализуется намотка медным проводом вокруг сердечника конфигурации "гантель", а также цельноформованные катушки. По сравнению с изделиями, характеризующимися многослойной структурой, для данного типа применения может быть использован более толстый медный провод, который способен выдерживать большие токи. При намотке на кольцевом сердечнике и приложении тока магнитный поток пронизывает внутреннюю часть феррита. Такая схема известна как замкнутый путь магнитного потока. В случае применения магнитопроводов в форме гантели или стержня, поток направляется от внутренней стороны сердечника и становится потоком рассеяния, который распространяется в виде петли, возвращаясь обратно к сердечнику, что соответствует незамкнутому контуру пути магнитного потока.

В электронном оборудовании, если поток рассеяния катушки индуктивности связан с другой катушкой, величина индуктивности может измениться, или может появиться помеха. В частности, поток рассеяния увеличивается в силовых индуктивностях, в которых протекают достаточно большие токи. В таких случаях используются различные структуры магнитных экранов, благодаря которым утечка магнитного потока к внешней стороне не будет такой существенной.

Силовые индуктивности TDK в зависимости от типа магнитного экрана делятся на следующие категории, рассмотренные ниже:

Таблица 1 - типы силовых индуктивностей в зависимости от способа магнитного экранирования.

Тип компонентов без использования магнитных экранов	Провод просто намотан на сердечник типа "гантель". Магнитный экран отсутствует
Полуэкранированный тип изделий с использованием смолы	Сердечник конфигурации "гантель" герметично помещен в корпус и залит смолой, смешанной с магнитным порошком (феррит или сплавы с магнитомягкими свойствами). Несмотря на то, что эффект магнитного экранирования имеет ограниченное действие, он имеет преимущество в снижении стоимости изделия.
Полностью экранированный тип	Тип компонентов, выполненный по структуре ближе к замкнутому магнитному пути, магнитопровод в форме гантели закрывается экранированным ферритовым сердечником. Однако, магнитное экранирование не всегда обеспечивает полную герметичность, и поток может рассеиваться через воздушный зазор или область соединения между "гантелью" и экранированным ферритом. Экранированный сердечник может иметь различные формы, такие как кольцо и L-форму. Сила и распределение рассеяния магнитного потока, так же как и стоимость изделия, могут варьироваться в зависимости от структуры.
Цельноформованный тип	Этот тип компонентов не подразумевает намотку провода на сердечник. Воздушный сердечник герметично помещается в порошок на основе магнитомягкого материала, смешанного со связующим веществом, и спрессовывается как цельный компонент. Поскольку воздушные зазоры отсутствуют, вклад потока рассеяния меньше, чем при использовании полного экранирования. Однако магнитный поток утекает также с поверхности или других участков.

рисунок1 — Рисунок 1 – Силовые индуктивности с замкнутым и незамкнутым магнитным потоком

3D графики потока рассеяния силовых индуктивностей, основанные на результатах анализа ближнего магнитного поля

Выбор типа силовой индуктивности зависит от цены, технического исполнения, размеров изделия и других параметров. С этой задачей сталкиваются многие разработчики. Компания TDK обеспечивает технической поддержкой пользователей, подбирая наиболее подходящие силовые индуктивности путем измерения потока рассеяния индуктивности с использованием системы измерения ближнего магнитного поля и его визуализации. Базовая конфигурация системы представлена на рисунке 2. Силовую индуктивность, установленную на тестовую плату DC-DC преобразователя, сканируют зондом, оборудованного небольшой рамочной антенной, на полувысоте от силовой индуктивности. Далее проводят измерения силы магнитного поля вокруг исследуемого компонента. Полученные данные формы сигнала от времени преобразуются в сигнал спектра при помощи анализатора спектров, а затем отображаются в виде трехмерного изображения на мониторе.

рисунок2 — Рисунок 2 – Конфигурация системы измерения/визуализации ближнего магнитного поля вокруг силовой индуктивности

Серия SPM с экстремально низким потоком рассеяния

Выпускаемые TDK серии (VLS-EX, CLF-NI, SPM), 3D графики визуализации потока рассеяния данных компонентов приведены на рисунке 3.

Силовые индуктивности серии VLS-EX относятся к полуэкранированному типу (экранирование с использованием смолы). Компоненты CLF-NI являются полностью экранированными изделиями, а серия SPM представляет собой цельноформованный тип. Измерение проводили с использованием индуктивностей одинакового размера. Горизонтальное магнитное поле имеет направленность, и ЭДС рамочной антенны достигает максимального значения, когда поверхность антенны и поток магнитной индукции пересекаются под прямым углом. В этой связи, что касается горизонтального магнитного поля, зонд микроскопа поворачивается в четырех направлениях (каждые 45 градусов), при этом измеряется максимальное напряжение. Красный цвет указывает на то, что сила магнитного поля выше, а синий цвет показывает на меньшую напряженность магнитного поля. Более низкую величину напряженности магнитного поля и потока рассеяния можно получить путем использования компонента CLF-NI (в сравнении с серий VLS-EX). Катушки SPM показывают результат лучше, чем в случае серии CLF-NI при рассмотрении данных характеристик.

рисунок3 — Рисунок 3 – Серии компонентов TDK. 3D изображения, полученные с помощью ближнепольной микроскопии

Основные направления борьбы с потоком рассеяния в силовых индуктивностях

Даже при использовании магнитного экранирования со структурой, подразумевающей замкнутый путь магнитного потока, эффект рассеяния не может полностью контролироваться. Контроль потока рассеяния зависит от конструкции катушки. Таким образом, применение вертикальной намотки проводом катушки подразумевает полярность, и на поток рассеяния влияют усиление/ослабление направлений против сигнала.

При использовании силовых индуктивностей, относящихся к полностью экранированному типу, так же как и в случае полуэкранированных и неэкранированных компонентов, необходимо уделять особое внимание проводке близлежащих сигнальных линий. Если влияние потока рассеяния, исходящего от силовой катушки индуктивности, все еще остается после тщательной проверки изделия, рекомендуется прибегнуть к следующим контрмерам:

Поменять полярность катушки
Изменить схему подключения
Заменить компонент на катушку с более высокой степенью экранирования
Заменить катушку на изделие меньшего размера (влияние потока рассеяния должно быть снижено)

Цельноформованный тип компонентов TDK серии SPM, характеризующихся небольшим потоком рассеяния, подходит для использования в ситуациях, когда индуктивность должна быть размещена вблизи сигнальной линии или когда помеха от корпуса является проблемой из-за применения пластикового корпуса. Более того, так как это цельноформованная конструкция, которая не имеет набора сердечников, как в случае полностью экранированного типа, то она эффективна для уменьшения ударного звука. Компоненты, в которых используется ферритовый сердечник, характеризуются широким диапазоном значений индуктивности и способностью поддерживать достаточно высокие величины L. Они также превосходно подходят для массового производства и широко применяются в оборудовании различной назначения.