大功率金属粉芯模压电感设计与验证_黄家毅.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|43电子元器件与材料大功率金属粉芯模压电感设计与验证黄家毅，唐建伟，龚志良，陈榕寅，严平东莞铭普光磁股份有限公司，广东东莞523000摘要：随着微电子、半导体快速发展，CPU、GPU等大规模性IC芯片性能得到不断提升。为了提高响应速度和降低功耗，则需使用低压大电流的电压调节器模块VRM给芯片供电，而在这种直流转换器中大部分使用大功率的模压电感作为输出储能电感。文中介绍模压电感并给出了其工程上设计步骤，结合产品测试和计算机仿真技术给出了这类电感三个关键参数电感、饱和电流和温升电流推导验证过程和计算方法，并对各种尺寸不同型号模压电感进行模拟计算和产品实际测试对比，模拟结果和实测差异很小，能满足模压电感工程上设计要求。本文给出适用于使用了粉芯类磁体这一类电感研发设计的详细方法和理论依据，供同行技术人员参考，可提升开发效率。关键词：模压电感；FeSiCr合金粉；电感计算；饱和电流；温升估算中图分类号:TM55 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.011 0引言随着微电子、半导体SOC、IC的快速发展，对功率元件的性能要求不断提升。特别是对服务器的中央处理器（CPU）、显卡（GPU），为了提高响应速度和降低功耗，则需使用低压大电流的电压调节器模块VRM（VRD）来供电1。VRM是一种高压转低压1.xV的多相DC-DC变换器，对于CPU、GPU、SOC等对功率需求不断提升，从原来单相供电变成多相供电，电感器需求增多，为节省空间，迫切要求功率器件进一步小型化和提高单位功率密度。模压电感与传统铁氧体绕线电感相比具有大电流、低噪音、磁屏蔽、高强度、强抗震性等优越的特性2，在智能移动终端、笔记本电脑、服务器、新能源汽车、显卡等产品中的大功率DC-DC 转换器得到广泛应用。电感在电路中有三个关键参数：电感值、饱和电流、温升电流。电感和饱和电流取决于磁芯材料材质和磁路设计，温升电流参数主要是由线圈的直流电阻决定。模压电感可以通过类似ANSYS Maxwell电磁仿真软件和热仿真软件来设计3。但是这不仅仅涉及昂贵的仿真软件授权费用，还需要具有丰富工程经验的仿真工程师。当然也有文献提出模压电感感值的计算方法4，但并未提及饱和电流和温升计算。因此，本文给出适用于模压电感研发设计的详细方法和理论依据，供同行技术人员参考。1模压电感结构与设计流程模压电感（Molding Inductors）是使用模具把磁性粉末和线圈一次性压制成型的电感。由于线圈和磁芯一次成型，又称一体成型电感，其结构示意如图1所示。图 1模压电感结构纵向切片图图2给出了模压电感的设计流程，同样适用一般功率电感设计过程。第一步根据电源拓扑参数计算确定三个关键参数电感L、饱和电作者简介：黄家毅，男，广东化州，本科，铭普光磁电子研发主任工程师，研究方向：高频磁性元件开发和管理工作。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术44|流Isat、温升电流（有效电流）Irms；接下来在限定机械尺寸条件下初选材质，设计磁路，根据电感值L初步计算匝数，然后计算饱和电流、直流电阻，估算温升电流。当饱和电流、电阻、温升中任何一个参数不符合预期时候，都要返还到第四步重新设计，再来不断迭代计算直到所有参数符合设计要求。在产品系列化设计，对于标准系列化电感来说设计流程第一步为可选项，因为三个关键参数可参照规则：标准系列中电感的标称值由1210n或610n的理论修约数得到5。确保温升电流在尽可能大前提下，在降压电路连续模式（CCM）中，要满足Isat数值是Irms的1.3倍或以上；而非连续模式（DCM）中，则需2倍或以上。2参数设计2.1电感磁芯磁路参数2.1.1无偏置电流的电感220eeee=A NNLRl=（1）其中：L表示无偏置电流下的电感值6，单位为H；0为真空磁导率=410-7；N为线圈圈数；e为磁体的有效磁导率；Ae为磁体有效截面积，单位为m2；le有效磁路长度，单位为m。2.1.2电感材料模压电感常用的磁性材料一般有两种：羰基铁粉和Fe-Si-Cr合金粉料。把金属软磁原粉和粘合剂混合后制备出的复合材料，通过压制磁环测试材料的有效磁导率一般在2040之间7。2.1.3磁路结构通过仿真得到模压电感磁通密度分布如图3所示，可以看到4个直角边的磁通密度极小，可以忽略不计。为了验证上述仿真结果，取04、07、12、17四种不同尺寸的型号，依次测量完整、切1角、切2角、切3角和切4角的电感值，测量结果如图4所示。切除后的电感相比完整的电感，变化率大多都在-2.0%以内，抛开测量系统误差，任意一个直角部分对整体电感值贡献几乎为零，也就是直角部分磁通密度几乎为零，与仿真结果一致。因此其磁体的有效磁通从外部观察可视为圆柱体，磁路则等效于如图5所示的图 2模压电感设计过程流程图 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|45电子元器件与材料罐型POT磁路。参考罐型磁芯磁路参数计算方法8，调整后得到适用于模压电感磁路的计算等式，如表1所示。图 3模压电感磁通密度分布仿真图表 1适用模压电感磁芯有效磁路参数计算公式参数名称公式拐角处的平均磁路长度5101 11(2)2 44lsh=+6111 11(2)2 44lsh=+7211 11(2)2 44lsh=+8201 11(2)2 44lsh=+各段磁路面积22121()44ddA=22125201()+244ddAd h=|2373 11()24dAd h=+2334dA=221262 11()+244ddAd h=|238301()24dAd h=+与 l2 和 l4 相关的磁心因子222131lnldAhd=232222223 1ddlAd d h=424031lnldAhd=2342224230ddlAd d h=磁芯常数 C1 和C2811iiilCA=8221iiilCA=有效磁路长度和有效横截面积212eClC=12eCAC=其中磁心的有效磁路长度 le/mm；有效横截面积 Ae/mm2；磁心常数 C1/mm-1；磁心常数 C2/mm-3。注：L0表示完整产品开路电感，Lx表示切除x个直角后的电感，其中x代表切除直角部分的个数，Lx/L0=(Lx-L0)/L0100%表示x个切除直角部分电感下降率，而x=1，2，3，4。图 4切除直角部分前后电感值以及其下降率对比dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术46|l3l2l1l4l7l6l5l8d1/2d2/2d3/2h1S2S1h0图 5模压电感磁路结构（POT)2.2饱和电流饱和电流（Isat）指在电感器中流过引起电感量下降到相比无偏置电流电感量特定比值的直流电流。饱和电流通常定义的电感值下降最大百分比10%、20%、30%、35%。其对应的磁场强度的公式（2）可以得到饱和电流e0.4HlIN=（3）其中：I表示电流，单位为A；H为磁场强度，单位为Oe；le表示有效长度，单位为cm。直流偏置下电感计算公式如下：eepe100%y=（4）220ee0eeeeIdcA NyA NLll=（5）其中：LIdc表示施加直流电Idc后电感量，单位H；e为增量有效磁导率；ep为增量有效磁导率相对0A直流电的有效磁导率e的百分比。由式（1）、（4）、（5）可得IdcLy L=（6）对于存在分布气隙的复合材料，通过压制磁环测试得到有效增量磁导率变化率和外置磁场强度的对应曲线，外置磁场强度和电流成正比，通过曲线拟合得出对应曲线和等式，从而可计算饱和电流，详细过程如下所述。采用Fe-Si-Cr软磁复合材料压制成环型，尺寸为4.02.82mm(ODIDH)，0.2mm漆包线在磁环上均匀绕制20圈，使用WAYNE KERR精密磁分析仪3260B，在100kHz频率下测量10组样本的电感L平均值为2.352H，通过式（7）计算得到Fe-Si-Cr复合材料的有效磁导率e为26.8。4e2104.6logLDN Hd=（7）式中：L为电感，单位为H；N为匝数；H为磁环厚度，单位为mm；D为外径，单位为mm；d为内径，单位为mm。通过德国ED-K功率电感测试仪DPG10-1000B对上述Fe-Si-Cr磁环在0100A量程档，进行自动测量并绘制电感量L和偏置电流I的变化曲线，通过式（2）、（4）、（5）转换成如图6所示的有效磁导率百分比和磁场强度的曲线，并通过曲线拟合得到等式。（a）测量曲线及0H180 Oe部分曲线拟合等式（b）180H400 Oe部分曲线及其拟合等式图 6有效磁导率百分比和磁场强度的曲线及拟合曲线 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|47电子元器件与材料为了获得更加精确的拟合曲线，如图6所示，采用分段拟合的方式：e103.84484ep,01801.004627.45989 100.982370.00137,180400kHOeHHHOe|=+|（8）式中：H为磁场强度，单位为Oe；ke为误差修正修系数，是精密LCR对比电感值后的修正系数。e1,0600.94 0.99,60180HOekHOe=（9）2.3温升电流除了热仿真技术，工程上最常用热阻法来估算温升。根据“热路”欧姆定律，温升T（）和损耗P（W）的关系为7()2dcdcIRththTR PR=（10）其中：Idc表示直流电，单位为A；Rdc为直流电阻，单位为；Rth表示模压电感磁体热阻，单位为/W。热阻取决于材料的辐射表面积、器件本身的耗散功率以及空气对流情况。当工作CCM模式时，直流成分值很大，忽略交流铜损和磁损，可采用直流I和直流电阻Rdc来计算损耗P。长期表 2合金粉系列不同尺寸模压电感的有效磁路参数序号合金粉系列料号磁体几何尺寸和有效磁路参数（长度单位 mm，面积单位 mm2)l1l2l3l4d1d2d3s1s2h0h1Aele1MHA0530SG2R2M1.3410.6601.3410.6605.0 3.322.000.420.500.5100.6043.8986.5182MHA0730SG1R2M1.4910.9601.4910.9606.54.722.800.450.700.5050.4595.9537.8683MHA0730SG5R6M1.6320.6201.6320.6206.54.643.400.470.850.4670.5327.6767.7824MHA0750SGR68M1.6261.2601.6261.2606.54.522.000.500.501.2691.6375.8357.4465MHA0750SG5R6M2.5080.8602.5080.8606.54.723.000.450.750.8751.0999.37010.7526MHA1040SG150M2.2301.9202.2301.92010.27.443.600.690.900.7260.53010.06813.2077MHA1707SG470M4.6802.7204.6802.72017.0 13.448.000.892.001.0050.94538.19723.629表 3双线并绕模压电感漏感实测编号尺寸电气特性长（mm)宽（mm)高（mm)圈数 1-2:3-4电感 L1-2/H电感 L3-4/H漏感 Lk/H 短接PIN 3-4漏磁率（%)0730-#16.516.542.572:20.2550.2560.05120.00%1260-#212.6912.75.363:30.7650.7650.21427.97%1770-#317.0317.015.754:43.123.1160.86327.66%表 4电感值实例计算和实测验证对比序号合金粉系列料号有效磁导率e圈数 N电感Lc1/H理论与实测偏差率(Lc1-L0)/L0100%电感Lc2/H实测L0/H理论与实测偏差率(Lc2-L0)/L0100%1MHA0530SG2R2M26.8 10 2.014