Utilice mininductores moldeados para ahorrar espacio, reducir pérdidas y mejorar la integridad y eficiencia de la potencia

Los inductores son un componente crucial en los diseños de convertidores y reguladores de voltaje. Debido a sus funciones de almacenamiento y recuperación de energía, se encuentran en casi todos los circuitos que regulan la energía. A medida que las aplicaciones tienden hacia diseños más pequeños y compactos que deben ser cada vez más eficientes desde el punto de vista energético, los diseñadores tienen que ser más exigentes a la hora de elegir el inductor que se adapte a estas tendencias a la vez que maneja corrientes más altas.

La reducción de las pérdidas de potencia y la mejora de la eficiencia dependen en gran medida del diseño y el material del núcleo de un inductor. Por ejemplo, el uso de mininductores moldeados reduce el volumen del inductor, al tiempo que aporta todas las ventajas de los inductores más convencionales, junto con un mayor blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI), mayor densidad de potencia y menores pérdidas en el núcleo.

Este artículo describe brevemente los inductores y la inductancia. A continuación, presenta los miniinductores moldeados de Abracon LLC y analiza su selección y aplicación.

Inductancias e inductancias

Los inductores son componentes pasivos de dos terminales que almacenan y recuperan energía en forma de campo magnético. Suelen adoptar la forma de un hilo bobinado aislado. Una corriente aplicada al inductor crea un campo magnético proporcional a esa corriente dentro de la bobina. Si cambia la corriente aplicada, se crea un campo magnético variable en el tiempo que induce una fuerza electromotriz (FEM) en el conductor. El voltaje inducido tiene una polaridad opuesta al cambio de corriente que lo creó. Los inductores se caracterizan por su inductancia, que es la relación entre la tensión inducida y la tasa de variación de la corriente. El Henry (H) es la unidad de inductancia, que puede aumentarse creando una bobina con más espiras, construyendo una sección transversal mayor, disminuyendo la longitud de la bobina o utilizando un núcleo con un material de mayor permeabilidad (Figura 1).

Figura 1: Se muestran los factores que determinan la inductancia de una bobina. (Fuente de la imagen: Abracon)

La permeabilidad es una característica magnética, y los materiales del núcleo con mayor permeabilidad generan una mayor densidad de flujo magnético, lo que permite almacenar más energía. Por lo tanto, la inductancia también es proporcional a la permeabilidad del material del núcleo del inductor. Un núcleo altamente permeable puede reducir el tamaño y el peso del inductor sin reducir el valor de inductancia, lo que da como resultado un paquete global más pequeño y ligero.

Los materiales del núcleo incluyen aire, hierro, acero, polvo de hierro, polvo metálico, cerámica y ferrita. Las ferritas son materiales cerámicos combinados con óxido de hierro en polvo y/u otros metales en polvo para proporcionar un núcleo con alta permeabilidad. Los núcleos de polvo utilizan metales magnéticos en polvo mezclados con un aglutinante y un revestimiento. La selección del metal, el aglutinante e incluso la inclusión de burbujas de aire en la mezcla determinan la permeabilidad del material del núcleo resultante.

Especificaciones del inductor

Las especificaciones críticas de los inductores utilizados en aplicaciones de potencia son la inductancia, la resistencia CC (DCR), la corriente de saturación, la corriente de aumento de temperatura, la corriente nominal, la frecuencia autorresonante (SRF) y el factor de calidad (Q).

La DCR, a veces denominada pérdida de cable, es la resistencia medida de un inductor para una fuente de CC. La DCR varía en proporción a la inductancia debido a la longitud y la sección transversal del cable. Los inductores de potencia suelen tener una DCR de decenas de miliohmios (mΩ) para garantizar bajas pérdidas de conducción. En la mayoría de los casos, la DCR se especifica como valor máximo.

A medida que aumenta la corriente a través de un inductor, el campo magnético aumenta proporcionalmente hasta alcanzar la saturación; en este punto, la permeabilidad comienza a disminuir. Los aumentos de corriente más allá de este punto provocan la caída de la inductancia. La corriente de saturación es la corriente en la que la resistencia cae una cantidad específica de la inductancia nominal. Los inductores de potencia suelen utilizar una disminución del 10 al 30% como límite de especificación.

La corriente de aumento de temperatura se especifica como el nivel de CC en el que la temperatura de la carcasa de un inductor aumenta 40 °C.

La corriente nominal se especifica como el valor inferior de la corriente de saturación o de la corriente de aumento de temperatura, lo que permite que un inductor funcione por debajo del menor de los dos límites.

SRF es la frecuencia a la que la reactancia de la capacitancia parásita de un inductor es igual a la reactancia. En este punto, un inductor funciona como un circuito resonante paralelo. La reactancia neta es cero, y la impedancia es extremadamente alta y totalmente resistiva. Los inductores suelen funcionar por debajo de su SRF en aplicaciones de potencia.

El Q de un inductor es una medida de su eficiencia y es la relación entre su reactancia inductiva y su resistencia a una frecuencia determinada. Cuanto mayor sea Q, menores serán las pérdidas y más se acercará el comportamiento de un inductor al de un inductor ideal.

Inductores de potencia moldeados

Los inductores de potencia moldeados son dispositivos de montaje en superficie (SMD) que utilizan tecnología de moldeo para rodear y encapsular la bobina de un inductor. A diferencia de los inductores de hilo bobinado tradicionales, el material magnético en polvo de un inductor moldeado se presiona en un molde alrededor de una bobina de hilo que rodea los conductores. El compuesto de moldeo, normalmente un metal en polvo y un aglutinante, fija la permeabilidad del núcleo del inductor. El relleno de metal en polvo ofrece una respuesta de saturación más suave que los rellenos de ferrita. También proporciona un apantallamiento magnético muy eficaz, lo que se traduce en una baja fuga de flujo magnético. Un inductor moldeado es un componente sólido adecuado para entornos difíciles, que protege contra la humedad, el polvo, los golpes y las vibraciones. Un inductor moldeado no emite ruido acústico porque no tiene núcleo laminado. La sencilla construcción en una sola pieza ofrece una excelente estabilidad mecánica y es compacta y ligera.

Los miniinductores moldeados de Abracon ofrecen todas las ventajas de los inductores moldeados en un pequeño paquete que mide menos de 3 milímetros (mm). Además de su tamaño compacto, los miniinductores moldeados incluyen una alta densidad de potencia, bajas pérdidas en el núcleo y en la conducción, y un excelente apantallamiento EMI (interferencia electromagnética).

Los miniinductores moldeados de las series AOTA-B1412 y AOTA-B2012 se ofrecen con un rango de inductancia de 0.11 a 2.2 micro Henries (µH), y tienen unas dimensiones de encapsulado de 1.4 x 1.2 mm (0.055 x 0.047 pulgadas (in)). a 2,0 x 1,2 mm (0.079 x 0.047 in) con una altura máxima tan baja como 0,65 mm (0.026 in). Estos inductores manejan corrientes nominales de 1.9 a 6.4 amperios (A), y están preparados para funcionar en un rango de temperaturas de -40 °C a +125 °C.

Un ejemplo de la serie AOTA-B2012 es el AOTA-B201208SR11MT de Abracon, un mini inductor moldeado SMD de 0.11 µH con una corriente nominal de 5.6 A y una corriente de saturación de 10 A (Figura 2). Tiene una DCR de 13 mΩ y una SRF de 185 megahercios (MHz). Está montado en un encapsulado de 2.0 mm x 1.2 mm (0.079" x 0.047") con una altura de asiento de 0.8 mm (0.031").

Figura 2: El AOTA-B201208SR11MT es un miniinductor moldeado típico de Abracon en un encapsulado SMD de menos de 3 mm que protege contra factores ambientales como la humedad, el polvo, los golpes y las vibraciones. (Fuente de la imagen: Abracon)

En el rango superior de inductancia de la serie AOTA-B2012 de Abracon se encuentra el AOTA-B201208S2R2MT, con una inductancia de 2.2 µH, una corriente nominal de 1.8 A, un DCR de 130 mΩ y un SRF de 42 MHz. La mayor inductancia requiere un mayor número de vueltas, lo que aumenta la DCR y disminuye la corriente nominal y la SRF en comparación con el AOTA-B201208SR11MT. Las dimensiones del encapsulado son las mismas que las del AOTA-B201208SR11MT, 2.00 mm x 1.20 mm (0.079" x 0.047") con una altura de 0.8 mm (0.031").

Ejemplos de la serie AOTA-B1412 de Abracon son la AOTA-B141206SR33MT y la AOTA-B141206SR47MT. Estos miniinductores moldeados tienen el encapsulado más pequeño, con unas dimensiones de 1.4 mm x 1.2 mm (0.055" x 0.047") y una altura de encapsulado de solo 0.65 mm (0.026"). El AOTA-B141206SR33MT tiene una inductancia de 0.33 µH, una corriente nominal de 3.5 A, una DCR de 32 mΩ y una SRF de 120 MHz. El AOTA-B141206SR47MT tiene una inductancia de 0.47 µH, una corriente nominal de 2.9 A, una DCR de 41 mΩ y una SRF de 115 MHz.

Aplicaciones de los miniinductores moldeados

A pesar de su pequeño tamaño, los mini inductores moldeados Abracon gestionan potencias sustanciales con bajas pérdidas en el núcleo y en la conducción, al tiempo que ofrecen un blindaje EMI (interferencia electromagnética) superior. Estas características los hacen ideales para satisfacer la demanda sin precedentes de convertidores de potencia en factores de forma cada vez más pequeños.

Aplicaciones típicas de estos componentes son el desacoplamiento de potencia, el filtrado y los convertidores de CC/CC (Figura 3).

Figura 3: Aplicaciones típicas de los miniinductores moldeados Abracon son el desacoplamiento de potencia, el filtrado y los convertidores de CC/CC. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El desacoplamiento de los circuitos integrados del bus de alimentación utiliza la impedancia variable en frecuencia del inductor combinada con las características de impedancia complementaria de un capacitor para atenuar las señales de alta frecuencia y el ruido, aislándolas de las entradas de alimentación de los circuitos integrados. Un DCR bajo y un SRF alto son las características importantes del inductor.

Los Filtros controlan la respuesta en frecuencia de la ruta de la señal y pueden configurarse como bajos, altos, paso banda o paso banda. Los filtros de inductor-capacitor (LC) proporcionan respuestas pasivas selectivas en frecuencia para dispositivos de baja potencia que no requieren dispositivos activos.

Los inductores son el principal elemento de almacenamiento de energía en los convertidores de CC/CC. Almacenan energía mientras el interruptor está cerrado y la recuperan cuando se abre.

Conclusión:

Los miniinductores moldeados Abracon ofrecen las ventajas de los inductores moldeados en un encapsulado compacto inferior a 3 mm. A pesar de su pequeño tamaño, pueden manejar importantes niveles de potencia con bajas pérdidas en el núcleo y en la conducción, lo que garantiza una excelente integridad de la energía en dispositivos electrónicos pequeños.