SMD功率电感用高Bs NiZn铁氧体材料

随着器件的小型化，对于SMD功率电感的直流叠加特性要求越来越高。电感器结构优化和使用高Bs NiZn铁氧体材料是提高SMD功率电感的直流叠加特性的有效途径。配方和工艺参数优化是提高NiZn铁氧体材料的Bs的主要方法。天通公司开发了对应高直流叠加SMD功率电感用的高Bs NiZn铁氧体材料系列。

1 引言
软磁铁氧体主要包括MnZn、NiZn铁氧体材料两大系列，主要应用于计算机、通讯、电源及消费类电子产品等领域，是电子工业的基础功能材料。与MnZn铁氧体相比，NiZn铁氧体具有高电阻率、高使用频率等特点，适用于制成各种SMD功率电感。
随着电子移动终端变得越来越来小，越来越薄，对应DC/DC 转换器的SMD功率电感也需更小，更薄。另外，随着转换频率越来越高，功能越来越多，额定电流的要求也越来越高，从而对于功率电感的直流偏置特性的要求也越来越高。这样对于SMD功率电感的形状结构设计和制作功率电感的NiZn铁氧体材料的电磁性能也提出了更高的要求。
本文先阐述了SMD功率电感及其对直流叠加特性的要求，然后介绍了电感磁芯公司zui近在对应高直流叠加SMD功率电感用高Bs NiZn铁氧体材料的研发情况。
2 SMD功率电感介绍
2.1 SMD功率电感的结构与直流偏置特性
如图1所示，SMD功率电感按照结构来分可以分为无屏蔽式方形功率电感和传统屏蔽式结构功率电感两大类。无屏蔽式方形功率电感主要由DRS core和铜线组成，采用磁胶取代RI core，磁胶一般采用铁氧体磁粉加入树脂配制而成[1]；传统屏蔽式结构功率电感一般为带磁罩式的设计，主要由磁芯（DR core和RI core）和铜线组成。
图2为无屏蔽式方形功率电感与传统屏蔽式功率电感的直流偏置特性对比测试结果[1]。由图可见，无屏蔽式方形功率电感的直流偏置特性明显优于传统屏蔽式功率电感。无屏蔽式方形功率电感的结构为闭合磁路设计，往往产品漏磁较少，产品的损耗较小，直流偏置特性好。
可见，通过电感器结构设计的优化可以提高SMD功率电感的直流偏置特性。
2.2 SMD功率电感的直流偏置特性与NiZn铁氧体材料
直流电流流经线圈会产生响应电流的磁通。一旦超过允许的磁通密度，电感量就会降低。直流叠加的饱和电流Is，可以用公式表示[2]：
Is=Bs×S×N/L
式中，Bs为磁心的饱和磁通密度，S为磁心的磁路zui小截面积，L为电感量。
磁心的饱和磁通密度Bs取决于NiZn铁氧体材料。从上式可以看出，一般说来，NiZn铁氧体材料的Bs越高，对应的SMD功率电感的直流偏置特性越好。另外，较大的ΔB=Bs-Br也是提高NiZn铁氧体材料的直流偏置特性的一个方向。较高的Bs和较低的Br使磁芯的饱和磁滞回线向横轴方向倾斜，磁芯饱和磁化需要更大的外加场，从而改善了磁芯的直流叠加特性[3]。
3 高Bs NiZn铁氧体材料
3.1 影响材料的Bs的主要因素
NiZn铁氧体的Bs主要取决于材料的配方对应的饱和磁化强度Ms，要想得到较高的Bs，就必须使用Ms较高的材料配方。图3为NiZn铁氧体配方对应的饱和磁化强度Ms特性三角分布[4]。由图可见，过量的NiO、Zn和Fe2O3均不能得到较高的Bs，高Bs NiZn铁氧体的*配方点在30%NiO、20%Zn和50%Fe2O3附近。
影响NiZn铁氧体材料的Bs因素还有砂磨时间、成型密度、烧结温度等工艺条件[5]。
表1为砂磨时间对于NiZn铁氧体材料的饱和磁通密度Bs的影响。实验表明，材料的饱和磁感应强度与砂磨粒径的大小有重要关系，也就是存在一个*的颗粒粒度及其分布。
表2为压制密度和烧结温度对于NiZn铁氧体材料的饱和磁通密度Bs的影响。把同一种材料分别压制成4种密度的相同生环，放入同一炉中烧结，采用了1050℃、1070℃以及1090℃三种温度来进行烧结。由实验结果可见，随着密度的升高，磁心的Bs在不同的烧结温度中都呈现不同程度的上升趋势，也就是说，在不同压制密度实验中，密度越大，它的Bs也就越大。
表 1  砂磨时间对于NiZn铁氧体材料的饱和
磁通密度Bs的影响
 砂磨时间 粒径分析 Saturation
Magnetic(mt)
  Concentration Mean Diameter(mu) 
实验1 150 108 1.59 450
实验2 120 110 1.68 421
实验3 100 108 1.79 413
实验4 80 113 1.82 411

表 2  压制密度和烧结温度对于NiZn铁氧体材料的
饱和磁通密度Bs的影响
 对应编号 压制密度 Bs
   1050℃ 1070℃ 1090℃
密度范围(g/cm3) 1 3.0~3.1 395.5 394.1 407.2
 2 3.1~3.2 397.8 395.8 412.7
 3 3.2~3.3 412.4 412.5 415.3
 4 3.3~3.4 422.6 435.7 439.4

3.2 TDG高Bs NiZn铁氧体材料介绍
  电感磁芯公司根据客户的需求，通过优选主配方和合适的工艺条件，开发了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)，对应SMD功率电感的直流偏置特性。如表3所示，高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)的Bs相对于天通公司传统的TN40H材料有显著的提升。如图4所示，TN35B材料的直流偏置特性明显优于与TDG传统TN40H材料。
4 总结
(1)无屏蔽式方形功率电感的直流偏置特性明显优于传统屏蔽式功率电感。通过电感器结构设计的优化可以提高SMD功率电感的直流偏置特性。
(2)一般说来，NiZn铁氧体材料的Bs越高，对应的SMD功率电感的直流偏置特性越好。
(3)NiZn铁氧体的Bs主要取决于材料的配方对应的饱和磁化强度Ms和关键工艺参数。
(4)电感磁芯公司根据客户的需求，开发了高Bs系列材料(TN35B、TN25B、TN20B)，对应SMD功率电感的直流偏置特性。