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一体成型电感概述

2022-05-19 02:05:05 ? 113

     

由于电子终端产品不断向“小型化,集成化,多功能化,大功率化”等方向发展,传统的插装电感器已经不能适应下游整机的需求,而体积小,成本低,低损耗,屏蔽性能优良,可靠性高IM电竞网站-欢迎您!,适合于高密度表面安装的一体成型电感在消费电子,数码产品,移动通信,计算机,高分辨率电视机,机顶盒,交换机IM电竞网站-欢迎您!,路由器,光纤通信设备,广播,卫星,汽车电子,工业控制等领域获得广泛应用,逐步成为电感市场的主流方向。


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一体成型电感是由座体系将绕组本体埋入金属粉末内部压铸而成的。常用的金属粉末有还原铁粉,羰基粉,合金粉IM电竞网站-欢迎您!。

一体成型电感磁路封闭IM电竞网站-欢迎您!,具有良好的磁屏蔽性,不会干扰周围的元器件,也不会受临近的元器件的干扰(EMI 性能良好),有利于元器件的高密度安装,一体化独石结构IM电竞网站-欢迎您!,密度高,机械强度好,可靠性高,耐热性,可焊性好,形状规则,整齐,适合于现代化的自动化表面安装流水线生产工艺。

 

☆ 一体成型电感与传统电感区别 

一体成型电感一般由座体和绕组本体组成,其基体是将绕组本体埋入金属磁性粉末内部压铸而成,后置 SMD引脚为绕组本体的引出脚直接成形于座体表面。而且一体成型电感封闭的磁路设计IM电竞网站-欢迎您!,具备抗电磁干扰强,可避免由于结构造成的超低蜂鸣声及噪音,可高密度安装IM电竞网站-欢迎您!。其电感小体积、大电流、低耗损等优势,在高频和高温环境下可保持优良的温升电流及饱和电流的特性。其电感为 SMD结构设计,安装上方便快捷,可避免使用时既不会损坏电感,又能提高生产效率。

常规普通型的功率电感是分带磁罩和不带磁罩两种,主要由磁芯和铜线组成。因此在电路中主要起滤波和振荡作用IM电竞网站-欢迎您!。但是缺点是不能在大电流的工作环境下应用。因为常规普通电感应用的环境温度受限于高温时饱和磁通密度下降,故对于工作热稳定性较差IM电竞网站-欢迎您!。

 

 ☆ 一体成型电感的电流 

1、  一体成型电感饱和电流和温升电流

一体成型电感饱和电流和温升电流是产品设计时需要考虑的两个重要的因素。

1)饱和电流 Isat:以电感量变化,随着通过电感的电流的增加,磁密度会增加,当达到磁饱和时,电感的感量会急速下降IM电竞网站-欢迎您!,一般以感量下降 30%时的电流值为标准。饱和电感是一种磁滞回线矩形比高,起始磁导率高IM电竞网站-欢迎您!,矫顽力小,具有明显饱和点的电感 ;在电子线路中常被当作可控延时开关元件来使用。

2)温升电流 Irsm:温升电流是指当电感工作时,电感的温度上升较周围环境温度上升一定温度时的电感工作电流。大多数厂家定义温度上升 40℃时为电感的温升电流值。 

2、 一体成型电感电流参数公式

1)品质因素 Q:表示线圈质量的一个物理量,Q 为感抗 XL 与其等效的电阻 R 的比值,即 Q=XL/RIM电竞网站-欢迎您!。线圈的 Q 值愈高回路的损耗愈小。线圈的 Q 值与导线的直流电阻IM电竞网站-欢迎您!,骨架的介质损耗,屏蔽罩或铁芯引起的损耗,高频趋肤效应的影响等因素有关IM电竞网站-欢迎您!。线圈的 Q 值通常为几十到一百。

2)额定电流:额定电流是指能保证电路正常工作的工作电流IM电竞网站-欢迎您!。

 

☆ 一体成型电感工艺流程 

1、绕线 金属线圈材料主要分扁平线和圆铜钱两种。将铜钱依规定要求绕制固定形状尺寸(线圈)IM电竞网站-欢迎您!。

2、点焊 将绕制好的线圈使用电流熔焊接到料片脚上。

3、成型 将点焊好料片放入模具,使用液压冲压机将铁粉包裹冲压成型。一体成型电感的生产设备和生产工艺从低端到高端分别是油压机、机械压机、伺服器压机。伺服器压机是生产工艺精度最高的方式。

4、喷砂 喷砂机使用玻璃砂喷冲成型产品表面打磨。

5、上胶 将成型产品表面依客户要求喷涂相应油漆。

6、喷码 按客户要求在产品上喷印产品标签。

7、折弯脚 使用自动设备将成型产品多余料片切除,端脚弯折平贴产品表面IM电竞网站-欢迎您!。

8、测试 运用设备测试依客户要求对产品电气性能检测。

9、外检 检查外观是否满足客户要求。

10、编带 按客户要求将检测合格成品放入编织载带中,便于终端客户使用IM电竞网站-欢迎您!。

11、包装 将编织好的载带盘放入包装箱中,满足运输要求保证产品不受损坏。

 

☆ 一体成型电感对铁粉心软磁材料的要求 

1、颗粒粒度

铁粉心材料的颗粒粒度直接关系到电感涡流损耗,由涡流损耗系数与晶粒半径的平方成正比的关系可知IM电竞网站-欢迎您!,粒度越细涡流损耗越低 IM电竞网站-欢迎您!;另一方面颗粒粒度越细IM电竞网站-欢迎您!,磁导率越小,不利于电感量的提高。

2、绝缘层厚度

铁粉表面的绝缘层越厚,电阻率越高,涡流损耗越低。然而,随绝缘层厚度的增加,磁性材料铁粉的填料比降低IM电竞网站-欢迎您!,导致磁导率降低。因此,在绝缘层包覆完整的情况下通常希望绝缘层越薄越好。

3、绝缘层粘附性

一体成型电感压制成型时的压力越大IM电竞网站-欢迎您!,磁导率越高,电感量越大。若铁粉心绝缘层和铁粉的粘附性很差,压力稍大就会导致铁粉表面的绝缘层破裂,从而降低绝缘效果IM电竞网站-欢迎您!。但值得注意的是IM电竞网站-欢迎您!,增大压力对磁导率的提高是有极限的,过大的压力对模具的损伤也是限制成型压力的一个因素。

4、绝缘层的热稳定性

压制成型后的热处理可以减小电感制成型过程中产生的残余应力,降低磁滞损耗。若绝缘层的热稳定很差,绝缘层的电阻率随温度升高急剧减小,会导致涡流损耗增大。

综上所述,铁粉材料具有合适的颗粒粒度,薄的绝缘层,良好的粘附性和热稳定性,对制备一体化成型电感的效率有很大的提高。

 

☆ 一体成型电感磁性粉末的特性 

一体成型电感一般选用的都是漆包线,也叫绝缘导线。它有两部分构成:座体和绕组。而磁性粉末就是埋入座体当中。

1、一体成型电感常用的磁性粉末,埋入座体的磁性粉末一般有还原铁粉、羰基铁粉、合金铁粉等。

1)还原铁粉

还原铁粉的电感量很高IM电竞网站-欢迎您!,同时它的制作工艺很复杂,但是电流特性和腐蚀性很差IM电竞网站-欢迎您!,价格也便宜。

还原铁粉一般由四氧化三铁在高热条件下在氢气流或一氧化碳气流中还原生成,主要成分为结构疏松的单质铁IM电竞网站-欢迎您!?;乖凼遣还嬖蜃?#73;M电竞网站-欢迎您!,不易包覆绝缘处理, 插件电感(DIP)的产品基本上用这种粉做。

2)羰基铁粉

羰基铁粉的电感量低IM电竞网站-欢迎您!,腐蚀性差,但是电流特性好,它的制作工艺很复杂,同时价格也高。

羰基铁粉是通过 CO 与铁在高温高压下反应,生成与羰基铁油状物,经低压分离后得到产品,羰基铁粉活性很大,正常情况放置一段时间后,会发生自动团聚。贴片电感(SMD)产品用羰基铁粉,由于羰基铁粉是颗粒呈球形IM电竞网站-欢迎您!,所以相对绝缘要高一点。

3)合金铁粉

合金铁粉和其他两个磁性粉末不太一样。它的电感量是居中的,腐蚀性和电流特性都很好, 制造工艺也很简单,但是它的价格也是比其他两个磁性粉末贵很多。

合金粉是由两种或两种以上组元经部分或完全合金化而形成的金属粉末。所以合金粉的防锈效果很好。

铁硅系合金软磁粉末以铁硅为基础,将合金材料高温熔化后IM电竞网站-欢迎您!,在高压气体作用下反复粉碎雾化,生产出极微小的球状金属粉末IM电竞网站-欢迎您!,这就是金属软磁合金粉心的原材料IM电竞网站-欢迎您!。

通过优化设计IM电竞网站-欢迎您!,针对高频大电流等不同应用领域开发出不同的合金粉末,确保成型后的产品具有优异的直流偏置特性和损耗特性。

铁硅铬粉末具有优异的防锈性能,高饱和磁感应强度,低损耗特性等,广泛应用于一体成型电感。气雾化铁硅铬粉末具有更低的损耗和更好的饱和特性IM电竞网站-欢迎您!,以及良好的球形度以确保一体成型电感具有更好的绝缘可靠性。

2、一体成型电感的配粉

一体成型电感常用的金属粉末有还原铁粉、羰基铁粉、合金铁粉,它们的区别 :一体成型电感有插件电感(DIP)和贴片电感(SMD)两种,且都是压铸成型,一体成型电感对粉末绝缘处理要求比较高,大多数用还原铁粉和羰基铁粉IM电竞网站-欢迎您!,也有的用合金铁粉。

还原铁粉是不规则状,不易包覆绝缘处理,DIP 的产品基本上用这种粉做?;乖鄣缌魈匦员冉虾?#73;M电竞网站-欢迎您!,但是防锈效果比较差以及感值量低,同时需要喷漆处理,可以使用表面处理剂增加防锈效果。

SMD 产品用到羰基铁粉,由于羰基铁粉是颗粒呈球状IM电竞网站-欢迎您!,所以相对绝缘要高一点,但是磁导率不高IM电竞网站-欢迎您!。合金粉防锈效果比较好,感值量高,但是电流特性比较差。

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表 1 列出一体化成型电感粉末的特性和区别


☆ 一体成型电感的特点 

一体成型电感是由数控自动绕线机绕制好的空心线圈,植入特定的模具,填入磁心粉末,高压压制成型,高温固化后加一防氧化涂层而成的一体化结构的电感器。 

1、一体成型电感的优点: 

1)高饱和

生产一体成型电感常见的材料为羰基铁粉。这种材料的 BS 值较高,因此使用羰基铁粉成型的电感产品一般具有优良的饱和特性。 

2)大电流

体积小IM电竞网站-欢迎您!,直流电阻小,输出电流大 :线圈匝数少IM电竞网站-欢迎您!,因而直流电阻小,铁粉有很好的导热性能,可通过大电流,储能高IM电竞网站-欢迎您!,抗饱和 ;它的输出电流值可到 60A,比较于传统的电感高 37.5%左右IM电竞网站-欢迎您!。具有很好的耐电流叠加特性。 

3)闭合磁路

全屏蔽结构绿色环保 :器材选用全磁材成形,整个器材外部为磁性材料,天然生成的屏蔽式结构因而磁屏蔽强IM电竞网站-欢迎您!,全封闭结构,磁屏蔽效果好,可有效降低电磁干扰;磁漏小, EMI 特性优异,对周围器材影响小 ;电磁材料是绿色环保型产品IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!,对整机功能的提高特别重要。 

4)高频性能

作业频带宽:生产一体成型电感常见的材料为羰基铁粉。 羰基铁粉具有颗粒?。?0μm 以下),活性大IM电竞网站-欢迎您!,球形颗粒,其颗粒内部为层状结构,因此,羰基铁粉具有在高频和超高频下的高磁通率。外表电阻率高,涡流损耗小IM电竞网站-欢迎您!,高频损耗低,作业频带可由几十赫兹到高达 5MHz 的宽频带下运用。 

5)降噪工艺

当电路中有额定频率的电流通过线圈时,铁芯内部会产生同样频率的交变磁通,此交变磁通会让铁芯内部产生伸缩变量,称为 :铁芯畸变量,此铁芯畸变量会产生频率为电源频率2倍的振幅能量,经由磁路周围的介质,毫无衰减的向外传播,在铁芯的外壁产生声音压。

耐冲击噪音低 一体成型电感器采用粉末冶金工艺,将粉末与线圈整体包覆,磁心与线圈紧密,磁心内部空隙较少,粉末冶金压铸结构克服了传统电感器易碎和噪音大的缺点IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!。传统的器材选用绕制工艺IM电竞网站-欢迎您!,绕组与磁性材料之间不可避免存在空隙,运用时会呈现高频噪音困扰,传统的电感有十分大的噪音。 

6)损耗低,耐热性好。

因为选用“集成化”结构,全磁材成形,传热快,散热面积大,线圈散热好IM电竞网站-欢迎您!,软磁粉末颗粒小,外表电阻率高IM电竞网站-欢迎您!,涡流损耗小IM电竞网站-欢迎您!,从而大大降低温升和整机损耗。 

7)可靠性高,一致性好,具有优秀的磁功能稳定性和温度稳定性。在生产工艺上有其他任何软磁材料不具备的独有特性,就是具有杰出的功能可控制性和形状可控制性??捎煽刂坪透谋淙泶欧勰┑暮侠淼髋涞壬ひ仗跫?,生产出各种具有共同功能的电感器。生产自动化程度高,可批量生产。 

8)外形,尺寸多样化。 

①产品外形,尺寸多样化设计IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!。主流的一体成型电感尺寸:2.5×2×1mmIM电竞网站-欢迎您!, 4×4×2mmIM电竞网站-欢迎您!,5×5×3mm,6×6×1.8/3/5mm, 10×10×4mm,12×12×5.6mm。②电极外型多样化设计。 

9)运用方便IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!。选用编带包装,便于自动贴片作业。

 10)应用范围广IM电竞网站-欢迎您!。LED 照明等IM电竞网站-欢迎您!,PAD 笔记本电脑、台式机IM电竞网站-欢迎您!、服务器、智能手机IM电竞网站-欢迎您!、显卡、个人导航系统IM电竞网站-欢迎您!、DC/DC 转换器、多媒体设备等都会用到一体成型电感。

 2、一体成型电感的缺点

1)绝缘

绝缘包含三部分 :① 粉末绝缘 IM电竞网站-欢迎您!;② 线圈绝缘 ;③ 线圈与粉末绝缘。

解决办法 :粉料配置的工艺配方。

 2)内部裂纹

位置:一体成型电感的内部裂纹通常出现在两个位置:线圈周围,产品中柱。

危害 :① 特性损失 IM电竞网站-欢迎您!;② 电感异音 IM电竞网站-欢迎您!;③ 产品开裂失效IM电竞网站-欢迎您!。

解决办法 :① 改善粉末配方和工艺 ;② 增加成型保压时间 ;③ 改善粉末基本特性 IM电竞网站-欢迎您!;④ 改善产品设计。

 3)异音

成型后的产品中柱会分布一定的气隙。

异音机理 :依据磁路的欧姆定律知,空隙处礠阻远大于无磁隙处 ;磁隙越大,泄露磁场就越大,泄露磁场造成磁场方向的扭曲,形成于磁隙处的磁通拥挤现象IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!。因此IM电竞网站-欢迎您!,在磁隙处因电磁振动而产生的噪音远大于无磁隙处(有实验测得IM电竞网站-欢迎您!,约高出 10db)。

4)高频损耗

解决办法 ① 提高粉末绝缘能力 ;② 采用合金粉料 ;③改善产品设计IM电竞网站-欢迎您!。

5)层间短路

概念 :层间短路是指一体成型电感器在成型过程中IM电竞网站-欢迎您!,出现的线圈与线圈之间绝缘被破坏而短路现象。

原因 ① 多层线圈跨线绕制 ;② 成型时候线圈变形严重,线圈和线圈间错动导致其绝缘破坏 ;③ 线圈在成型时,线圈间压入金属异物刺破绝缘层。

解决办法:① 管控圧力;② 提高粉末绝缘膜的牢固性;③改善绝缘工艺 ;④ 改善绕线工艺。 

6)铁芯老化

描述 :铁粉心产品普遍存在老化问题,一般长时间处于工作状态会加快铁心老化速率。

主要原因 :温度影响因素 :① 磁心的材质,工艺IM电竞网站-欢迎您!,散热条件,几何尺寸,交流磁通密度及频率 ;② 铁粉心材料高频涡流损耗特性和磁特性 ;③ 铁粉心绝缘及粘结剂的老化。

解决办法:① 提高缓绝缘层定性;② 采用无机粘结剂;③采用合金原料。

7)生锈

原因 :① 喷漆前一体成型电感表面有水分 ;② 制粉环境,成型环境,喷漆环境未管控 ;③ 材料不具备一定的耐腐蚀能力。

解决办法 :① 管控制粉环境,成型环境,制程环境IM电竞网站-欢迎您!,喷漆环境IM电竞网站-欢迎您!,存储环境的温湿度 ;② 选择耐蚀材料 ;③ 优化粉末配方 ;④ 盐雾试验抽检产品。

现状 :目前最好的免喷漆产品可以做到5%NaCl盐雾试验可达96H不生锈。  

 



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