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电感设计中的一些细节问题

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  • 更新日期:2023-02-08 10:09
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详细介绍
随着电感(Inductor, L),变压器(Transformer, T)等磁性元件(Magnetics)从原材料比如磁性粉体(Powder),磁芯(Core)的制备,到制程绕线(Winding),组装(Assembly) 以及后段上锡,测试等一整个生产制造流程的成熟,在有限的封装尺寸内实现最优化的产品参数 – 也即产品创新变得越来越具有挑战性。

随着电感(Inductor, L),变压器(Transformer, T)等磁性元件(Magnetics)从原材料比如磁性粉体(Powder),磁芯(Core)的制备,到制程绕线(Winding),组装(Assembly) 以及后段上锡,测试等一整个生产制造流程的成熟,在有限的封装尺寸内实现最优化的产品参数 – 也即产品创新变得越来越具有挑战性。在应用市场上,比如最主要的电源应用 - 更高的功率密度需求希望电感或者变压器在有限的尺寸空间内实现更高的磁通密度(Flux density, B),而且同时不希望感值的饱和衰减超出承受边界(即直流偏置特性DC-Bias);不仅如此,为了在转换效率上满足诸如CoC-V5 (US),DOE-Level VI (US), Ecodesign Directive 2019/1782 (EU – ErP)等各个国家的逐渐提高的电源转换效率强制标准(中国是GB 20943-2013 和 CQC31-461236-2014), 又或者是出于电源系统工作温度限制或者节能环保的理念的追求,电感等磁性功率器件的功率损耗往往被提高到更重要的优先级来考虑,因此这样的需求给电感等磁性元件的设计提出了越来越高的性能要求。

诸如此类,虽然至今依然有数量可观的成熟结构产品在被市场上被广泛沿用,但是感性元件或者磁性元件厂家一直在持续的改进或者创新以求设计并制造出性能更加满足下游市场应用的发展的优化产品,助力客户实现持续的产品技术迭代。其中,作为电感的结构关键因素之一 – 磁芯,自然成为重点研发对象,因此今天的磁性元件市场上各种各样的材质,结构,特性的磁芯不断新旧交替,在各自优势的领域被广泛开发并且大量商用。然而,是否磁芯的材质进步就是电感设计优化的唯一关键之处呢?显然也并非如此:如果片面强调磁芯的重要性甚至以此主导市场对磁性元件的性能优劣的衡量标准,往往会出现以偏概全,忽略了真正符合电源系统的电感或者变压器的优化设计其实是包含了很多其他方面因素的多元考虑结果,比如:线圈绕组的设计以及工程量产实现(Mass production, MP),电感损耗的折中设计(Tradeoff),窗口利用率(Filling factor)的最佳匹配,磁芯气隙(Air gap)效率的结构优化,安规(Safety regulation)设计,机械结构稳定度设计,焊接可靠性设计等等。除此以外,交付灵活度和质量保证等商业考虑因素也往往会反过来影响这些工程设计的选择方向。

有鉴于此,接下来的篇幅会就实际遇到的一些细节和深圳科达嘉电子(Shenzhen Codaca Electronic, 下文简称Codaca)自身在相关细节上的理解以及对产品设计的管控来更好的处理可能出现的误差或者问题,从而持续改进产品,以求实现综合不止是磁芯而且包含多方面因素的优化电感产品设计。。

磁通密度测试接线图

 

 

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