S rozvojem elektronických technologií se malé a výkonné cívky stávají stále více používanými v různých elektronických zařízeních. Mezi nimi se cívka s dno-umístěnou elektrodou a lisovaným jádrem díky své kompaktní konstrukci, vysoké spolehlivosti a vynikajícím vlastnostem stává preferovanou součástkou pro vysoce integrované a vysokofrekvenční elektronické systémy. Její celkový výkon je lepší než u tradičních vinutých cívek, zejména v aplikacích, které kladou důraz na miniaturizaci, vysokou spolehlivost a nízké elektromagnetické interference (EMI). Tento článek podrobně popíše výhody a výběr produktů cívek s dno-umístěnou elektrodou a lisovaným jádrem s cílem poskytnout zdroj pro návrháře napájecích systémů.
1 – Výhody cívek s dno-umístěnou elektrodou a lisovaným jádrem
Litiné tlumivky existují ve dvou typech: jedny s elektrodami typu L a druhé se spodními elektrodami. Litiná výkonová tlumivka se spodními elektrodami využívá nový proces lití, který spočívá v zapouzdření cívky a magnetického jádra do jednoho celku a umístění elektrod na spodní stranu, čímž je dosaženo vyšší integrace a optimalizace výkonu.
Obrázek 1. Struktura litiné výkonové tlumivky se spodními elektrodami
Výhody litiné výkonové tlumivky se spodními elektrodami se projevují hlavně v následujících oblastech:
◾ Miniaturizace a vysoká hustota integrace: umožňuje snížit plochu na desce plošných spojů (PCB) a zvýšit hustotu montáže. Ve srovnání s tradičními vinutými tlumivkami mají litiné výkonové tlumivky se spodními elektrodami menší rozměry, což je činí obzvláště vhodnými pro přenosné zařízení s omezeným prostorem a pro vysokohustotní výkonové moduly.
◾ Nízký DC odpor (DCR): Optimalizací vinutí cívky a návrhu elektrody lze dosáhnout nižšího DCR, čímž se snižují ztráty výkonu a zvyšuje účinnost přeměny (zejména výrazné v nízkonapěťových, vysokoproudých aplikacích).
◾ Vysoká spolehlivost: Konec cívky je ohnut a lisován pod tlakem s T-jádrem z prášku, čímž vzniká pevná spodní elektroda. To zvyšuje pevnost pájecí plošky a eliminuje potřebu dodatečných sváraných svorek, čímž se odstraňuje riziko přerušeného obvodu a zvyšuje spolehlivost výrobku.
Jako inovativní technologie formovaných výkonových cívek nabízí typ se spodní elektrodou významné výhody ve struktuře výrobku, elektrickém výkonu a aplikaci. Široce se používá v oblastech jako automobilové DC-DC měniče, systémy ADAS, výkonové moduly, vysokofrekvenční spínané zdroje, pohony motorů, fotovoltaické invertory a komunikační zařízení.
2- Průvodce výběrem formovaných výkonových cívek se spodní elektrodou
Codaca vyvinul tlumivky s různými materiálovými vlastnostmi, aby vyhovovaly různým zákaznickým aplikacím. Pro usnadnění výběru nejvhodnější výkonové tlumivky níže uvádíme typické modely průmyslových tlumivek Codaca s dolní elektrodou a lisovanou konstrukcí — CSEG, CSEC, CSEB a CSEB-H — s porovnáním jejich elektrických vlastností.
2.1 CSEG : Ultra-nízký DCR, nejnižší ztráty v nízkofrekvenčním pásmu
◾ Magnetická stíněná konstrukce: Vysoká odolnost proti elektromagnetickému rušení (EMI).
◾ Lisovaná konstrukce: Extrémně nízká akustická úroveň hluku.
◾ Měkké nasycení: Odolává vysokým špičkovým proudům.
◾ Ultra-nízký DCR: Nejvyšší Irms (proud způsobující tepelné zahřátí).
◾ Dosahuje nejnižších výkonových ztrát v nízkofrekvenčním pásmu (pod 700 kHz).
◾ Tenký design: Úspora prostoru, vhodné pro husté montážní uspořádání.
◾ Provozní teplota: -40 °C až +125 °C (včetně samonahřívání cívky).
2.2 CSEC : Vysoký proud nasycení, nejnižší ztráty ve vysokofrekvenčním pásmu
◾ Magnetická stínící struktura: Silný odpor vůči EMI.
◾ Lisovaná konstrukce: Extrémně nízká akustická úroveň hluku.
◾ Ultra vysoký Isat (proud nasycení).
◾ Měkké charakteristiky nasycení: Odolává vyšším špičkovým proudům.
◾ Dosahuje nejnižších ztrát vysoké frekvence (700 kHz až 3 MHz).
◾ Tenký design: Úspora prostoru, vhodné pro husté montážní uspořádání.
◾ Provozní teplota: -40 °C až +125 °C (včetně samonahřívání cívky).
2.3 CSEB ◾ Široká škála velikostí a modelů výrobků
◾ Magnetická stínící struktura: Silný odpor vůči EMI.
◾ Lisovaná konstrukce: Extrémně nízká akustická úroveň hluku.
◾ Široký výběr velikostí a hodnot indukčnosti (max. velikost 1510).
◾ Měkké nasycení: Odolává vysokým špičkovým proudům.
◾ Tenký design: Úspora prostoru, vhodné pro husté montážní uspořádání.
◾ Standardní výrobek splňuje normu AEC-Q200.
◾ Provozní teplota: -40 °C až +125 °C (včetně samonahřívání cívky).
2.4 CSEB-H ◾ Nízký DCR a vysoký proud zvýšení teploty
◾ Magnetická stínící struktura: Silný odpor vůči EMI.
◾ Lisovaná konstrukce: Extrémně nízká akustická úroveň hluku.
◾ Nízký DCR.
◾ Vysoký Irms (proud zvýšení teploty).
◾ Měkké nasycení: Odolává vysokým špičkovým proudům.
◾ Tenký design: Úspora prostoru, vhodné pro husté montážní uspořádání.
◾ Standardní výrobek splňuje normu AEC-Q200.
◾ Provozní teplota: -40 °C až +125 °C (včetně samonahřívání cívky).
2.5 Porovnání provozních parametrů
Čtyři řady vysokovýkonných lisovaných výkonových cívek zmíněné výše byly nezávisle vyvinuty a navrženy společností Codaca. Všechny řady jsou charakteristické vysokou spolehlivostí a magnetickou stíněnou konstrukcí, přičemž každá řada má své jedinečné výhody z hlediska výkonu.
Tabulka 1. Přehled výkonu různých specifikací lisovaných cívek
Nejjednodušší metodou výběru je použití nástrojů „Power Inductor Finder“ a „Power Inductor Loss Comparison“ na oficiálních webových stránkách společnosti Codaca. Systém zobrazí výkon jednotlivých cívek na základě zadaných provozních podmínek (proud, zvlnění, teplota, pracovní frekvence atd.).
◾Porovnání saturace Isat
Jako příklad je uvedena indukčnost 4,7 μH, při které jsou porovnávány produkty stejné velikosti, ale různých řad.
Ve srovnání s řadami CSEG, CSEB-H a CSEB nabízí řada CSEC vyšší schopnost saturace proudu, což ji činí ideální volbou pro aplikace vyžadující vysokou odolnost proti špičkovému proudu.
Obrázek 2. Porovnání křivky indukčnosti vs. nasycovací proud pro různé specifikace lisovaných cívek
◾ Porovnání proudu při zvýšení teploty (Irms)
Jako příklad vezmeme hodnotu indukčnosti 4,7 µH a porovnáme produkty stejné velikosti z různých řad.
Tabulka 2. Tabulka porovnání charakteristických parametrů pro různé specifikace lisovaných cívek
Z výše uvedené srovnávací tabulky vyplývá, že kromě extrémně nízkého DCR má řada CSEG proud při zvýšení teploty o přibližně 40 % vyšší než řady CSEC, CSEB-H a CSEB, což jí umožňuje pracovat za stejných provozních podmínek při nižší teplotě.
Obrázek 3. Porovnání křivek proudu při zvýšení teploty pro různé specifikace integrovaných lisovaných cívek
◾ Porovnání ztrátového výkonu
Jako příklad vezmeme hodnotu indukčnosti 4,7 µH a ztrátové charakteristiky jednotlivých řad byly testovány pomocí standardního smyčkového testu.
Podmínky testu: Proud = 10,5 A, zvlnění = 40 %, frekvenční rozsah = 100–3000 kHz, B = 3 mT.
Obrázek 4. Porovnání ztrát různých modelů zalitých cívek
Na základě výše uvedené analýzy křivek má řada CSEG nejnižší celkové ztráty pod 700 kHz. Řada CSEC má nejnižší ztráty nad 700 kHz. Řady CSEB a CSEB-H mají střední úroveň ztrát.
3- Další řady výrobků
Výše uvedené porovnání se zaměřuje na hlavní vlastnosti průmyslových zalitých cívek s dolní elektrodou. Pro aplikace ve spotřební elektronice automobilů vyvinula společnost Codaca několik odpovídajících automobilových řad zalitých cívek, jako jsou řady VSEB a VSEB-H.
Obrázek 5. Automobilové zalité cívky společnosti Codaca (zvýrazněny červeným kruhem)
Automobilové bezzásahové výkonové cívky Codaca s dolní elektrodou využívají nízkoztrátový jádrový materiál z práškové slitiny a vylepšený formovací proces, čímž nabízejí nízké ztráty, vysokou účinnost a široké frekvenční spektrum použití. Jejich kompaktní konstrukce šetří místo a je vhodná pro husté osazení. Všechny produkty splňují standard AEC-Q200. Rozsah provozní teploty může dosahovat od -55 °C do +165 °C (včetně samonahřívání cívky), což umožňuje přizpůsobení náročným provozním podmínkám automobilové elektroniky.
EN