Металл-композит как альтернатива ферриту: дроссели Panasonic семейства ETQP

31 января 2020

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Металл-композитные дроссели семейства ETQP производства компании Panasonic не имеют ярко выраженного насыщения, обладают отличными частотными свойствами и способны работать при температурах до 150°C и выше. Все это делает их отличной альтернативой стандартным дросселям с ферритовым сердечником в широком спектре автомобильных и промышленных приложений.

Современная электроника идет по пути снижения потребления и уменьшения габаритов, что приводит к повышению популярности импульсных источников питания. По сравнению с линейными регуляторами импульсные DC/DC-преобразователи не только обеспечивают высокий КПД, но и позволяют работать с широким диапазоном входных напряжений и большими выходными токами, сохраняя при этом чрезвычайно компактные габариты. К сожалению, использование импульсных регуляторов связано с увеличением сложности и стоимости электронных устройств, а также с повышением уровня электромагнитных помех. Для борьбы с помехами требуются дополнительные фильтры.

Одним из важнейших элементов DC/DC-преобразователей и электромагнитных фильтров являются дроссели (рисунок 1). В DC/DC-преобразователях дроссель совместно с выходным конденсатором используется для фильтрации импульсного сигнала и получения стабильного выходного напряжения для питания нагрузки. Дроссель, входящий в состав фильтра, выполняет сразу две функции: с одной стороны он не позволяет внешним кондуктивным помехам проникать в защищаемую схему, с другой – не позволяет собственным помехам схемы просачиваться во внешний мир.

Рис. 1. Основные приложения для дросселей – фильтры и DC/DC-преобразователи

Современные электронные устройства требуют все более компактных силовых компонентов, отличающихся низким уровнем потерь и высокой нагрузочной способностью. Очевидно, что эти требования противоречат друг другу. Сложно найти дроссель с высокой индуктивностью и высоким рабочим током в компактном исполнении. В свою очередь, малогабаритные и высокоиндуктивные дроссели, как правило, характеризуется низким током насыщения.

В недавнем прошлом указанные противоречия удавалось решить за счет использования недорогих дросселей с ферритовым сердечником, но и их возможностей уже не всегда хватает для современных низковольтных, сильноточных и сверхкомпактных устройств. Одной из интересных альтернатив для дросселей с ферритовыми сердечниками становятся металл-композитные дроссели, в частности представители семейства ETQP производства компании Panasonic.

Основными особенностями семейства дросселей ETQP являются:

• широкий выбор индуктивностей 0,33…100 мкГн;
• повышенный рабочий ток до 84,5 А;
• отсутствие насыщения даже при высоких токах;
• широкий выбор типоразмеров 5,5х5,0х3,0…12,6х12,8х8,0 мм;
• широкий диапазон рабочих температур – до 160°С (High Performance Series);
• отличные частотные характеристики;
• низкий уровень электромагнитных помех;
• низкий уровень акустических шумов;
• высокое рабочее напряжение, достигающее 70 В;
• высокая надежность и устойчивость к негативному влиянию условий окружающей среды – влажности, температуры, вибраций и прочего.

Конструкция металл-композитных дросселей семейства ETQP

Традиционный дроссель представляет собой катушку индуктивности, намотанную на сердечник. Такая конструкция имеет множество недостатков, начиная от необходимости использования дорогостоящих и сложных технологий намотки и заканчивая наличием воздушных зазоров, приводящих к большой индуктивности рассеяния. Однако в металл-композитных дросселях сердечник в его привычном виде отсутствует.

Структура металл-композитного дросселя представлена на рисунке 2. Обмотка дросселя имеет традиционное многовитковое исполнение, а роль сердечника выполняет спрессованный металл-композитный порошок. Данный порошок представляет собой магнитный материал, состоящий из железосодержащей основы и кремниевого наполнителя.

Рис. 2. Конструкция структуры металл-композитного дросселя

Чтобы понять, какие преимущества дает такая конструкция, следует сравнить структуру металл-композитного дросселя и дросселя на ферритовом сердечнике (рисунок 3). Первое преимущество, которое сразу бросается в глаза, заключается в использовании монолитной структуры, не имеющей воздушных зазоров. С одной стороны, это позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и снизить уровень генерируемых электромагнитных помех, а с другой – избежать ярко выраженного насыщения при больших токах. Если для ферритового сердечника индукция насыщения составляет 0,5 Тл, то для предлагаемого решения индукция насыщения достигает 1,5 Тл.

Рис. 3. Структура и распределение магнитного потока для металл-композитного дросселя (а) и дросселя на ферритовом сердечнике (б)

Вторым преимуществом металл-композитных дросселей является низкий уровень генерируемых ими электромагнитных помех. Диаграмма распределения магнитного поля, представленная на рисунке 3, говорит сама за себя. При использовании дросселя с ферритовым сердечником под ударом оказывается гораздо большая площадь, даже несмотря на наличие экрана в конструкции этого дросселя. Фоновое магнитное поле от металл-композитного дросселя существенно меньше, что делает его более безопасным с точки зрения электромагнитной совместимости для окружающих компонентов и чувствительных цепей.

Тем не менее, при работе с металл-композитными дросселями компания Panasonic рекомендует учитывать полярность подключения (рисунок 4). Делом в том, что для этих дросселей направление тока определяет преимущественное распределение магнитного поля. Для правильной ориентации компонента на печатной плате производитель предлагает использовать дополнительную маркировку на корпусе.

Рис. 4. Учет полярности подключения при работе с металл-композитным дросселем

Третьим преимуществом металл-композитных дросселей является отличная температурная стабильность. Благодаря отсутствию воздушных зазоров и высокой теплопроводности тепло, генерируемое дросселем, равномерно распределяется по всему объему компонента. В результате типовой диапазон рабочих температур для металл-композитных дросселей составляет -40…150°С. Более того, для сильноточных серий максимальная рабочая температура и вовсе достигает 160°С.

Четвертым преимуществом металл-композитных дросселей является их бесшумность. Хорошо известно, что обычные дроссели (и трансформаторы) имеют склонность к генерации акустических шумов. Дело в том, что при работе с высокочастотными сигналами структура дросселя испытывает механические деформации, которые при определенном стечении обстоятельств могут приводить к появлению шумов в акустическом диапазоне. Благодаря отсутствию воздушных зазоров уровень акустических шумов для металл-композитных дросселей оказывается существенно ниже (рисунок 5).

Рис. 5. Металл-композитные дроссели отличаются меньшим уровнем акустических шумов

Заканчивая рассмотрение конструктивных особенностей металл-композитных дросселей, необходимо упомянуть об особой распайке обмоток дросселей семейства ETQP производства Panasonic. В аналогичных продуктах других компаний чаще всего используется внутреннее подключение обмоток ко внешним выводам. В серии ETQP подключение выполняется снаружи. Это сделано для повышения надежности и упрощения визуального контроля электрического соединения (рисунок 6).

Рис. 6. Подключение обмоток металл-композитных дросселей семейства ETQP производства Panasonic

Электрические характеристики металл-композитных дросселей семейства ETQP

Металл-композитные дроссели отличаются от традиционных дросселей с ферритовым сердечником увеличенным рабочим током и меньшим импедансом на высоких частотах, что, в свою очередь, позволяет использовать для одних и тех же задач модели дросселей меньшего типоразмера.

Насыщение является важной характеристикой любого дросселя. Если ток, протекающий через дроссель с ферритовым сердечником, превышает значение тока насыщения, то индуктивность дросселя начинает быстро уменьшаться. Кроме того, ток насыщения имеет температурную зависимость: чем выше температура, тем ниже ток насыщения. Магнитная индукция насыщения для металл-композитных дросселей оказывается примерно в три раза выше, чем для ферритовых аналогов. В результате в таких дросселях отсутствует скачкообразное насыщение в широком диапазоне токов.

На рисунке 7 представлены зависимости индуктивностей от тока для металл-композитных дросселей и дросселей с ферритовым сердечником одного типоразмера (7х7 мм). Сравнение графиков демонстрирует ряд преимуществ металл-композитных дросселей. Для них зависимость индуктивности от тока имеет плавный характер без резкого насыщения. Кроме того, для таких дросселей характерна очень высокая температурная стабильность. Таким образом, металл-композитные дроссели не только обладают более высокими рабочими токами, но и отличаются более широким диапазоном рабочих температур до 150°С и даже выше.

Рис. 7. Зависимость индуктивности от тока для металл-композитных дросселей и дросселей с ферритовым сердечником при различных температурах

Стоит отметить, что из-за отсутствия явного насыщения рейтинг тока для металл-композитных дросселей может определяться по-разному. В частности, Panasonic в своей документации указывает сразу три значения рейтинга тока:

• ток, при котором дроссель нагревается на 40°С при установке на обычную четырехслойную печатную плату;
• ток, при котором дроссель нагревается на 40°С при установке на печатную плату с улучшенным теплоотводом;
• ток, при котором индуктивность дросселя падает на 30% от номинального значения.

Таким образом при работе с металл-композитными дросселями большое значение имеет качество теплоотвода. Например, если дроссель ETQP8MR33JFA установлен на обычной четырехслойной печатной плате (FR4 1,6 мм), то во время работы при комнатной температуре перегрев 40°С достигается при токе 44,4 А. Однако если такой дроссель установлен на печатной плате с повышенной теплопроводностью, то аналогичный перегрев достигается только при токе 53,5 А. Падение индуктивности на 30% и вовсе достигается только при токе 84,5 А.

Еще одним большим преимуществом металл-композитных дросселей являются отличные частотные характеристики. По сравнению с дросселями, имеющими ферритовый сердечник, они обладают более низким импедансом на высоких частотах (рисунок 8). Это позволяет использовать их в DC/DC-преобразователях, работающих на частотах выше 100 кГц, и при этом обеспечивать низкий уровень потерь.

Рис. 8. Частотная зависимость импеданса для металл-композитных дросселей и дросселей с ферритовым сердечником

Стоит особо отметить, что переход на более высокие частоты сам по себе позволяет DC/DC-преобразователям обходиться меньшей индуктивностью и емкостью выходного фильтра. Это значит, что разработчики могут использовать менее громоздкие компоненты меньшего номинала. Таким образом, металл-композитные дроссели позволяют уменьшить габариты источника питания не только за счет повышенного рабочего тока, но и за счет снижения уровня потерь при работе на высоких частотах. 

Вес и габариты имеют большое значение для современных электронных устройств. Если посмотреть на диаграмму массогабаритных показателей, представленную на рисунке 9, может показаться, что дроссели с ферритовым сердечником обладают преимуществом перед металл-композитными аналогами, так как при равном объеме они отличаются меньшим весом. Однако металл-композитные дроссели характеризуются повышенным рабочим током и меньшим импедансом на высоких частотах. Это позволяет разработчикам применять меньшие типоразмеры, а значит автоматически получать преимущество по весу и габаритам.

Рис. 9. Металл-композитные дроссели демонстрируют лучшие массогабаритные показатели

Металл-композитные дроссели обладают высоким рабочим напряжением, достаточным для использования в широком спектре приложений (таблица 1).

Таблица 1. Рейтинг напряжения для металл-композитных дросселей серии ETQP от Panasonic

В качестве подтверждения преимуществ дросселей семейства ETQP в таблице 2 представлено сравнение двух моделей: металл-композитного дросселя и дросселя с ферритовым сердечником. Оба дросселя обладают одинаковой номинальной индуктивностью 47 мкГн, однако габариты металл-композитного дросселя оказываются меньше, а ток насыщения почти в два раза выше (1,3 А против 0,7 А). Кроме того, для сильноточных серий металл-композитных дросселей максимальная рабочая температура достигает 160°С, в то время как для ферритовых аналогов рабочая температура ограничена 125°С.

Таблица 2. Сравнение характеристик металл-композитных дросселей и дросселей с ферритовым сердечником

Эксплуатационные характеристики металл-композитных дросселей

Ранее мы уже отмечали, что металл-композитные дроссели способны работать при повышенной температуре, что подтверждают результаты испытаний (таблица 3). Дроссели выдерживают более 2000 циклов при выполнении термоциклирования во всем диапазоне рабочих температур (-40…150°C с выдержкой по 10 минут) и обеспечивают исправную работу более 2000 часов при минимальной температуре -40°C и максимальной 150°C.

Таблица 3. Эксплуатационные характеристики металл-композитных дросселей серии ETQP

Благодаря монолитной конструкции и особому подключению выводов металл-композитные дроссели серии ETQP производства Panasonic демонстрируют высокую устойчивость к вибрационным нагрузкам.

Хорошо известно, что наиболее жесткие испытания на устойчивость ко внешним воздействиям окружающей среды должны проходить компоненты и устройства, предназначенные для работы в составе автомобильной электроники. Базовые модели дросселей серии ETQP соответствуют требованиям AEC-Q200, что подтверждает их высокую надежность.

Обзор модельного ряда металл-композитных дросселей серии ETQP

В настоящий момент компания Panasonic предлагает две большие группы металл-композитных дросселей серии ETQP: для потребительской электроники и для автомобильных приложений. Рассмотрим дроссели, предназначенные для автомобильных приложений и сертифицированные в соответствие с AEC-Q200. Очевидно, что именно эта группа дросселей отличается повышенной надежностью и может применяться не только в автомобильной технике, но и в промышленных приложениях.

Компания Panasonic предлагает три серии дросселей ETQP: высокопроизводительные, сильноточные и низкопрофильные. Для обозначения моделей всех серий используется общая система наименований, которая включает в себя: название серии (ETQP), высоту, значение номинальной индуктивности, тип сердечника (определяет серию: Y – высокопроизводительные, J – сильноточные, K – низкопрофильные), типоразмер (рисунок 10).

Рис. 10. Именование металл-композитных дросселей серии ETQP производства компании Panasonic

Группа высокопроизводительных металл-композитных дросселей (литера «Y» в наименовании) объединяет почти пять десятков моделей с диапазоном номинальных индуктивностей 0,33…100 мкГн, рабочим током до 56,7 А (измеряется по падению индуктивности на 30%), типовым эквивалентным сопротивлением (DCR) от 1,1 мОм, диапазоном рабочих температур -40…150°С (таблица 4).

Таблица 4. Характеристики высокопроизводительных металл-композитных дросселей серии ETQP

Группа сильноточных металл-композитных дросселей (литера «J» в наименовании) объединяет семь моделей, которые отличаются повышенными рабочим током до 84,5 А, измеренном по падению индуктивности на 30%, и расширенным диапазоном рабочих температур -40…160°С (таблица 5).

Таблица 5. Характеристики сильноточных металл-композитных дросселей серии ETQP

Низкопрофильные металл-композитные дроссели (литера «K» в наименовании) объединяют пятьдесят моделей (таблица 6), главным преимуществом которых является минимальная высота (до 3,9 и 4,9 мм). Такие дроссели будут востребованы в компактных и плоских устройствах. Еще одним преимуществом данной серии является расширенный диапазон рабочих температур -40…155°С.

Таблица 6. Характеристики низкопрофильных металл-композитных дросселей серии ETQP

Заключение

Современные электронные устройства требуют все более компактных и эффективных компонентов. Новые металл-композитные дроссели обладают рядом преимуществ перед дросселями с ферритовым сердечником. Они отличаются высоким рабочим током и отсутствием явного насыщения, низким импедансом на частотах свыше 100 кГц, отсутствием акустических шумов, повышенным диапазоном рабочих температур до 160°С.

Достоинства металл-композитных дросселей ETQP делают их отличным выбором для создания входных фильтров, а также высокочастотных, эффективных и компактных DC/DC-преобразователей для автомобильных и промышленных приложений.