作者：Patrik Kalbermatten，基美電子（KEMET）

工程復合磁芯使電感器制造商可將大電感集成到小體積中。FlakeComposite新技術將磁芯性能提升到了一個新的水平，并增加了額外的機械彈性，可支持新型的超薄器件。

功率電感器是用于管理開關轉換器中能量流的關鍵器件，可確保平穩輸電并幫助協調換向。為了保持電流流動足夠長的時間，而使電路在主開關關閉時能正確工作，工程師需要選擇合適的電感值來存儲足夠的能量。

雖然為了支持連續或不連續電流模式（CCM或CDM）或諧振工作，電感值的計算會根據轉換器的類型而有所不同，但對于給定的額定電流，電感值與尺寸相比通常要大。此外，還需要在預期頻率范圍內提供穩定性能，而對于汽車或航空航天等應用來說，還需要提供溫度穩定性并提高最高工作溫度。

工程電感器達到極限

電感器的屬性受物理定律限制。對磁芯材料進行精心設計，有助于將這些限制推向極限，從而為工程師的應用提供最佳參數組合。通常使用的磁芯材料包括錳鋅（MnZn）和鎳鋅（NiZn）鐵氧體，以及由特殊配方合金顆粒（由絕緣粘合劑隔開）所形成的金屬粉末芯。盡管通過增加磁芯體積來解決電源應用很困難，但薄膜電感器也可以通過沉積鈷基合金來制造，從而實現具有良好飽和性能的高磁導率。

盡管存在一些缺點，但鐵氧體磁芯具有高磁導率——NiZn材料高達300左右，而MnZn則會更高。這些材料往往很脆，因此不適合嵌入到PCB中，或制造薄型電感器，例如平面橫向通量器件。此外，它們會經歷突然的飽和，而引起電感隨直流偏置的增加而發生急劇滾降。

就粉末芯而言，流行的合金包括鐵硅（FeSi）或鐵硅鋁（FeSiAl），以及包括非晶鐵和坡莫合金在內的其他組合物。這類分布式氣隙磁芯具有顆粒結構，其飽和特性比鐵氧體電感器要軟，因此對小偏移直流偏置較不敏感。另一方面，其磁導率通常要比鐵氧體小約一個數量級，其有機粘合劑也不能耐受高工作溫度。

新的金屬薄片壓制技術現在可以生產出磁導率與NiZn鐵氧體相當、軟飽和特性與傳統粉末芯可比的分布式氣隙磁芯材料。此外，這種新型FlakeComposite磁芯還具有更高的溫度穩定性、更高的最高工作溫度和機械靈活性。這種靈活性增加所帶來的不僅是有機會創造超薄電感器，而且還可以在PCB內嵌入強大的電感器而節省空間，并可以探索機會，將新型電感器（如橫向磁通電感器）與有源器件一起集成在下一代電源轉換設計中。

性能比較

圖1給出了FlakeComposite磁芯材料與鐵氧體、粉末和薄膜磁芯的關鍵磁導率和飽和特性對比。

圖1：FlakeComposite的磁導率與鐵氧體相當，并具有卓越的飽和性能。

眾所周知，鐵氧體材料在高頻、高溫或高直流偏流值下會失去磁導率，導致電感值迅速降低，從而影響性能。為了確保FlakeComposite磁芯電感器至少能夠與鐵氧體電感器一樣好，我們需要比較頻率、溫度和直流偏置性能。

圖2比較了FlakeComposite與NiZn鐵氧體復合磁導率的頻散。兩種材料的曲線圖顯示，磁導率在約6MHz以上迅速降低，這表明FlakeComposite在工作頻率高達1MHz的開關轉換器中，性能與NiZn相同或者更好。

圖2：對于高達數MHz頻率的電源應用來說，FlakeComposite所提供的性能與NiZn鐵氧體相當。

對磁飽和特性進行比較，FlakeComposite進入飽和要比NiZn鐵氧體更軟，并且溫度相關性更低，因此大有裨益（圖3）。

圖3：與NiZn鐵氧體相比，FlakeComposite的磁飽和曲線更軟，溫度相關性更低。

圖4對FlakeComposite與NiZn鐵氧體和傳統金屬復合材料（粉末）的直流偏置性能進行了對比。FlakeComposite結合了兩種類型的優勢，在低偏置下具有與NiZn相當的優異磁導率，而在高偏置下則可保持更高的磁導率，并且溫度相關性最低。

圖4：當施加高直流偏置電場時，直流偏置特性顯示FlakeComposite具有更高的磁導率。

如果電感器工作溫度達到磁芯材料的居里溫度——在該溫度下磁芯會失去磁性——則磁芯磁導率會迅速下降，從而使電感快速損失。如圖5所示，FlakeComposite的居里溫度也高于典型的NiZn或MnZn鐵氧體。

圖5：FlakeComposite的居里溫度更高，可確保在更高的工作溫度下保持電感值。

電感器變薄且占位面積變小

為了不斷降低負載點（PoL）轉換器等電源轉換模塊的占位面積，業界已提出集成有源和無源元器件的新設計。與先前用于構建薄型電感器的傳統縱向通量模式不同，這些設計所用平面電感器經過專門設計，因而具有橫向通量模式。隨著電感器厚度的降低，與傳統的縱向通量器件相比，橫向磁通電感器顯現出越來越優越的電感。FlakeComposite的機械特性可實現厚度為50μm至2mm的電感器，因此非常適合制造超薄橫向磁通電感器。

采用FlakeComposite制造的電感器極薄卻堅固，為了幫助節省占位面積，在將其嵌入到PCB時也可實現固有對齊，并且與傳統鐵氧體磁芯相比，也可降低高達40%的電感器高度。

彈性高磁導率材料

除了可用于功率電感器之外，FlakeComposite的磁性和機械性能組合還適用于包括EMI抑制和屏蔽無線輸電線圈在內的電磁屏蔽應用，從而可優化充電性能并保護附近的電子設備。FlakeComposite技術是基美電子Flex Suppressor®產品的核心，事實證明這類產品可在各種應用中減少電磁噪聲。

總結

FlakeComposite這種新方法可以優化電感器的磁芯性能，并進一步拓展機會，實現未來電源轉換電路的小型化設計，因此它將超越當前鐵氧體磁芯材料所取得的成就。FlakeComposite可提供類似的磁導率，以及卓越的飽和特性、直流偏置性能和更高的溫度性能，進而實現超薄功率電感器設計，并為PCB嵌入式電感器提供所需的機械性能，從而實現真正的節省空間。