電源模組用金屬功率電感技術簡介

 

刊登日期:2016/1/5
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因應全球智慧化節能潮流,無線通訊及可攜式行動裝置產品被要求高效能及低功耗設計,因此電源模組內部負責儲能轉換及整流濾波之功率電感扮演重要節能元件角色。目前鐵氧磁體材料的性能已逐漸無法滿足功率電感產品之微型化及大電流需求,必須改用高飽和磁束之金屬磁芯,方能突破下世代微型/大電流產品的技術瓶頸,以開發高頻、微型化、高封裝密度及高效能之電源模組。

現階段一體成型式金屬電感技術日漸成熟,另一種發展方向則為高溫共燒積層晶片型金屬功率電感,相對於一體成型電感,此類電感具有易於小型化、優異飽和電流性質及低製程成本優勢,已開始受到產業界的重視及投入研發,相信在不久的將來,金屬功率電感將廣泛應用於各類行動產品中,以滿足智慧化節能的應用潮流。

 
市場發展
未來行動通訊將朝向 4G/5G 高速數據傳輸發展,高階智慧型手機的電感用量及市場已開始呈現強勁成長力道,平均每支智慧手機需要 60~90 顆的電感,再加上其它如LTE或繪圖晶片等模組,整支手機的電感用量更是可觀。目前電感的單價及利潤相對於電容或電阻比較高,吸引不少廠商投入研發及生產。圖三為工研院 IEK 針對全球電感產值及市場的評估報告,可見市場成長力道強勁。圖四為各類行動裝置如智慧型手機、LCD 或 NB 等的電感用量規模分析,由於電感市場商機龐大,全球電感廠商開始積極開拓手持裝置客戶,竭盡心力投入研發新型功率電感產品,以開發高效能及低功耗的智慧化行動裝置。
 

圖三、全球電感市場規模趨勢
 
技術原理
電源模組用功率電感的運作原理主要將電力以磁能型式儲存於磁芯材料中如圖五(a)。電感的應用形式很多,每一種情境所使用的磁芯材料種類及元件結構皆有相對應之設計。一般來說,鐵氧磁體具高品質因數 Q,但飽和磁束僅 3,000~5,000 高斯;磁性金屬之飽和磁束達 12,000~15,000 高斯以上,比鐵氧磁體高出2倍之多,以磁飽和電流理論來說,比起鐵氧磁體,磁芯金屬將更有助於產品之微型化及大電流設計。
 
圖六、磁芯金屬性質比較
 
功率電感特性介紹
本節介紹功率電感的特性, 提供作為電源設計之參考。當電流通過電源模組時,由於電晶體快速的切換,使得功率電感產生瞬變或突發尖峰負荷的電流波形變化,導致電感的特性更形複雜且難以規範。
3. 自諧振頻率
電感由磁芯材料及線圈所組成,電感會與存在於各線圈間的雜散電容產生自然共振,形成一個並聯共振電路,所以會產生一自諧振頻率( Self-resonant Frequency;SRF ),高於此頻率時,此電感將呈現電容性,所以無法再有儲能作用,因此功率電感的操作頻率必須較低於自諧振頻率才能發揮儲能效果。
 
衍生應用
功率電感的衍生應用以車用、工業及消費性電子產品為主,每一應用場合相對應的功率電感種類及規格需求皆不相同,目前最大宗的應用市場以消費性產品為主,例如 …… 以上為部分節錄資料,如欲詳全文請見原文。
 
作者:湯士源、唐敏注  / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」349期,更多資料請見下方附檔。

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