Как выбрать чип-индуктивность: основные характеристики

Чип-индуктивности применяются в импульсных преобразователях, согласующих цепях, радиочастотных фильтрах, генераторах, цепях развязки питания и системах подавления электромагнитных помех. Эти компоненты отличаются конструктивно, по материалу сердечника, добротности, сопротивлению и допустимому току.

Выбирать чип-индуктивность только по номиналу нельзя. Две модели одинаковой индуктивности могут предназначаться для совершенно разных задач: одна — для согласующей цепи на частоте 2,4 ГГц, другая — для силового преобразователя на несколько ампер.

Для правильного выбора необходимо определить:

• назначение компонента;
• рабочую частоту;
• требуемую индуктивность;
• допустимое отклонение номинала;
• добротность;
• сопротивление постоянному току;
• действующий и пиковый ток;
• ток насыщения;
• собственную резонансную частоту;
• материал сердечника;
• типоразмер;
• температурный диапазон.

Что такое чип-индуктивность

Чип-индуктивность — миниатюрный компонент поверхностного монтажа, создающий индуктивное сопротивление переменному току и способный накапливать энергию в магнитном поле.

Для идеальной индуктивности реактивное сопротивление определяется формулой:

X _L =2π f L

где:

• X _L — индуктивное сопротивление, Ом;
• f — частота сигнала, Гц;
• L — индуктивность, Гн.

Например, для индуктивности 100 нГн на частоте 100 МГц:

X _L =2π⋅100⋅10⁶⋅100⋅10⁻⁹≈62,8 Ом

Однако реальная катушка содержит активное сопротивление, паразитную емкость и потери в сердечнике. Поэтому ее характеристики зависят от частоты сигнала, температуры и протекающего тока.

Сначала необходимо определить назначение

Требования к индуктивности зависят от того, где она будет применяться.

Радиочастотные цепи

В согласующих цепях, генераторах и ВЧ-фильтрах наиболее важны:

• точность индуктивности;
• высокая добротность;
• рабочая частота;
• собственная резонансная частота;
• малое изменение параметров с температурой;
• низкие паразитные потери.

Для таких задач часто применяют проволочные с керамическим сердечником.

Импульсные преобразователи

В понижающих, повышающих и других преобразователях основными характеристиками являются:

• допустимый действующий ток;
• ток насыщения;
• сопротивление постоянному току;
• потери в сердечнике;
• способность накапливать энергию;
• нагрев.

Здесь обычно используются индуктивности с ферритовым сердечником.

Фильтрация питания и подавление помех

В фильтрах питания учитывают:

• импеданс на частоте помехи;
• допустимый ток;
• сопротивление постоянному току;
• резонансные свойства;
• характер потерь;
• устойчивость параметров к постоянному подмагничиванию.

Материал сердечника

Материал определяет доступный диапазон индуктивности, потери, добротность, частотные свойства, температурную стабильность и поведение при большом токе.

Немагнитный керамический сердечник

Керамические или воздушные ВЧ-индуктивности фактически не используют магнитное усиление потока. Их основные преимущества:

• высокая добротность;
• хорошая стабильность;
• работа на высоких частотах;
• относительно высокая собственная резонансная частота;
• отсутствие магнитного насыщения сердечника.

Такие компоненты применяются в:

• ВЧ- и СВЧ-фильтрах;
• согласующих цепях;
• генераторах;
• резонансных контурах;
• радиоприемниках и передатчиках.

Недостатки — сравнительно небольшая индуктивность при заданном размере и ограниченный ток.

Ферритовый сердечник

Феррит обладает высокой магнитной проницаемостью и позволяет получить большую индуктивность при небольших размерах.

Преимущества:

• широкий выбор номиналов;
• компактность;
• стабильные параметры на низких и средних частотах;
• возможность применения в силовых преобразователях.

Ограничения:

• снижение индуктивности под действием постоянного тока;
• магнитное насыщение;
• частотно-зависимые потери;
• зависимость параметров от температуры;
• обычно меньшая добротность на СВЧ по сравнению с керамическими моделями.

Ферритовые индуктивности применяются в цепях питания, преобразователях и помехоподавляющих фильтрах.

Металлический композитный сердечник

Композитные материалы содержат магнитный металлический порошок в изолирующей связующей среде. Они часто используются в современных силовых индуктивностях.

Характерные преимущества:

• высокий допустимый ток;
• более плавное снижение индуктивности при увеличении тока;
• хорошая устойчивость к насыщению;
• компактность;
• возможность экранированного исполнения.

Такие компоненты подходят для преобразователей, источников питания и других низковольтных схем.

С другой стороны могут быть повышенные потери на высокой частоте и зависимость характеристик от состава материала.

Железопорошковый сердечник

Железопорошковые материалы способны накапливать значительную энергию. Они обладают сравнительно плавной характеристикой насыщения, но могут иметь более высокие потери, чем некоторые ферритовые материалы.

Конкретные характеристики зависят от состава порошка. Поэтому обозначения «феррит», «металлический композит» или «железный порошок» недостаточно — необходимо проверить графики потерь, насыщения и температурной зависимости конкретной серии.

Конструкция чип-индуктивности

Проволочная

Провод наматывается на сердечник или каркас.

Преимущества:

• высокая добротность;
• сравнительно низкое сопротивление;
• возможность работы с большим током;
• хорошие ВЧ-характеристики у специализированных серий.

Недостатки:

• более крупные размеры;
• возможное влияние магнитного поля у неэкранированных моделей.

Многослойная

Проводящая спираль формируется внутри многослойного керамического или ферритового корпуса.

Преимущества:

• малые размеры;
• низкий профиль;
• хорошая повторяемость;
• пригодность для массового автоматизированного производства.

Ограничения:

• сравнительно высокое сопротивление;
• меньшая добротность;
• меньший допустимый ток;
• более сильное влияние паразитных параметров.

Пленочная

Проводящая структура создается тонкопленочной или толстопленочной технологией.

Такие компоненты отличаются:

• малыми размерами;
• высокой точностью;
• хорошей повторяемостью;
• стабильными ВЧ-характеристиками;
• возможностью получения очень малых номиналов.

Пленочные индуктивности часто применяются в высокочастотных согласующих цепях.

Как выбрать типоразмер

Распространенные обозначения корпусов могут приводиться в дюймовой или метрической системе.

Фактические размеры и высота определяются документацией производителя.

Уменьшение корпуса позволяет экономить место, но обычно приводит к компромиссам:

• снижается допустимый ток;
• ухудшается теплоотвод;
• уменьшается добротность;
• сокращается расстояние между внутренними проводниками;
• может снижаться собственная резонансная частота;
• усложняется монтаж и контроль пайки.

Более крупный корпус обычно позволяет получить меньшее сопротивление постоянному току и больший допустимый ток, но увеличивает занимаемое место.

Номинальная индуктивность

Индуктивность выбирают по расчету схемы.

Необходимо обращать внимание не только на номинал, но и на:

• допускаемое отклонение;
• частоту сигнала;
• постоянный ток при измерении;
• зависимость индуктивности от частоты;
• зависимость от постоянного тока.

Одна и та же катушка может показывать разные значения при измерении на 100 кГц и 100 МГц. Поэтому сравнивать компоненты следует при одинаковых условиях.

Допуск индуктивности

Типовые допуски могут составлять:

• ±1%;
• ±2%;
• ±5%;
• ±10%;
• ±20%.

Для резонансных и согласующих цепей обычно требуется меньший допуск. В силовом преобразователе нередко допустимо большее отклонение, однако расчет должен учитывать минимальную индуктивность при допуске, температуре и максимальном токе.

Если номинал равен 10 мкГн, а допуск составляет ±20%, исходный диапазон значений равен:

L _min=10⋅(1−0,2)=8 мкГн, L _max=10⋅(1+0,2)=12 мкГн.

Под рабочим током минимальная индуктивность может оказаться еще ниже.

Добротность

Добротность Q показывает соотношение реактивной и активной составляющих импеданса. В упрощенном виде:

Q = |X_L| / R_пот

где:

• X _L — индуктивное сопротивление;
• R _пот — эквивалентное сопротивление всех потерь на данной частоте.

Для приближенной оценки на сравнительно низкой частоте:

Q ≈ 2πfL / R_посл

где R _посл — эквивалентное последовательное сопротивление.

Чем выше добротность, тем меньше потери и тем уже может быть полоса резонансного контура.

Высокая добротность особенно важна для:

• ВЧ-фильтров;
• согласующих цепей;
• резонаторов;
• генераторов;
• малошумящих радиочастотных каскадов.

Сравнивать значения Q можно только при одинаковой частоте. Например, указание Q=40 без частоты измерения практически не позволяет оценить пригодность компонента.

Максимум добротности обычно достигается в определенной части частотного диапазона. При приближении к собственной резонансной частоте паразитная емкость начинает заметно влиять на компонент, и его поведение перестает соответствовать идеальной индуктивности.

Сопротивление постоянному току

Сопротивление обмотки постоянному току обозначается как DCR, R _DC или R _пост .

Оно вызывает потери мощности:

P _пров=I _RMS ² R _DC

где:

• P _пров — потери в проводнике, Вт;
• I _RMS — действующее значение тока, А;
• R _DC — сопротивление постоянному току, Ом.

Например, при токе 2 А и DCR 0,05 Ом:

P _пров=2²⋅0,05=0,2 Вт

Для небольшого SMD-корпуса мощность 0,2 Вт может вызвать существенный нагрев.

Малое DCR особенно важно:

• в силовых преобразователях;
• при большом постоянном токе;
• в цепях с жесткими требованиями к КПД;
• при ограниченном охлаждении.

Однако DCR не описывает все потери. На переменном токе добавляются скин-эффект, вихревые токи и потери в сердечнике. Поэтому реальное эквивалентное сопротивление на рабочей частоте может быть заметно выше DCR.

Что означает «ток пробоя»

Термин «ток пробоя» обычно не является стандартной паспортной характеристикой чип-индуктивности.

В технической документации чаще указывают:

• ток насыщения I _sat ;
• допустимый ток по нагреву I _temp ;
• номинальный ток I _rated ;
• максимальный постоянный ток I _DC .

Иногда под «током пробоя» ошибочно понимают ток, при котором катушка перестает нормально выполнять свою функцию. Однако это может произойти по разным причинам: из-за насыщения сердечника, перегрева обмотки, разрушения изоляции или повреждения выводов.

Поэтому при выборе необходимо отдельно проверять ток насыщения и ток по нагреву.

Ток насыщения

При увеличении постоянного тока магнитный сердечник приближается к насыщению. Его эффективная магнитная проницаемость уменьшается, поэтому падает индуктивность.

Энергия, запасенная в катушке, определяется формулой:

W = L · I² / 2

где:

• W — энергия, Дж;
• L — индуктивность, Гн;
• I — ток, А.

Ток насыщения обычно задается как значение, при котором индуктивность уменьшается на установленную производителем величину, например на 10, 20 или 30%. Единого критерия для всех производителей нет.

Поэтому значения I _sat двух моделей нельзя сравнивать без проверки условий измерения.

В импульсном преобразователе необходимо обеспечить:

I _peak<I _sat

с требуемым проектным запасом.

Если катушка входит в насыщение:

• индуктивность уменьшается;
• скорость нарастания тока увеличивается;
• пиковый ток ключа возрастает;
• увеличиваются пульсации;
• возможны перегрев и срабатывание защиты;
• силовой транзистор может выйти из строя.

Допустимый ток по нагреву

Ток по нагреву — значение, при котором температура индуктивности повышается на установленную величину.

Условие зависит от:

• площади контактных площадок;
• толщины проводников платы;
• количества слоев;
• температуры окружающей среды;
• расположения соседних компонентов;
• частоты и формы сигнала.

Паспортное значение, полученное на тестовой плате производителя, не гарантирует такой же нагрев в готовом устройстве.

Для рабочего режима должны одновременно выполняться два условия:

I _peak<I _sat , I _RMS<I _temp .

Первое защищает от насыщения, второе — от чрезмерного нагрева.

Если производитель указывает только один номинальный ток, необходимо выяснить, каким критерием он ограничен.

Собственная резонансная частота

Между витками и электродами существует паразитная емкость. Вместе с индуктивностью она образует собственный резонансный контур.

Приближенно собственная резонансная частота определяется так:

f_SRF = 1 / (2π√(L · C_пар))

где:

• f _SRF — собственная резонансная частота;
• L — индуктивность;
• C _пар — эквивалентная паразитная емкость.

Ниже собственной резонансной частоты компонент преимущественно ведет себя как индуктивность. Вблизи резонанса его импеданс достигает максимума. Выше резонанса преобладает емкостной характер.

Для ВЧ-применения рабочая частота должна быть ниже f _SRF , причем желательно предусматривать запас. Требуемый запас зависит от схемы и допустимого изменения импеданса.

Выбирать компонент только по условию f _раб<f _SRF недостаточно. Необходимо проверить графики:

• L(f);
• Q(f);
• |Z(f)|;
• фазы импеданса.

Экранированная или неэкранированная конструкция

Неэкранированные индуктивности обычно дешевле и иногда имеют меньшие потери, но создают более сильное внешнее магнитное поле.

Это поле может наводить дополнительные помехи на соседние электронные компоненты.

Экранированная индуктивность удерживает большую часть магнитного потока внутри корпуса. Ее целесообразно применять в компактных устройствах и рядом с чувствительными цепями.

Однако экранированность не означает полного отсутствия внешнего поля. Эффективность экранирования зависит от конструкции.

Температурные характеристики

Необходимо учитывать:

• рабочий температурный диапазон;
• повышение температуры от собственных потерь;
• изменение сопротивления постоянному току при нагреве;
• изменение индуктивности;
• снижение допустимого тока;
• температуру Кюри магнитного материала.

Максимальная температура компонента складывается из температуры окружающей среды и собственного нагрева:

T _комп=T _окр+Δ T

Например, при температуре окружающей среды 85 °C и собственном нагреве на 35 °C:

T _комп=85+35=120 °C.

Полученное значение не должно превышать максимально допустимую температуру индуктивности.

Как выбрать индуктивность для импульсного преобразователя

Последовательность выбора может быть следующей:

1. Определить номинал по расчету или документации.
2. Рассчитать максимальный пиковый ток.
3. Рассчитать действующее значение тока.
4. Учесть минимальную индуктивность с допуском.
5. Проверить снижение индуктивности под током.
6. Выбрать ток насыщения выше максимального пикового тока.
7. Рассчитать потери в обмотке.
8. Оценить потери в сердечнике на частоте преобразования.
9. Проверить температуру компонента на макете.
10. Оценить электромагнитное поле и выбрать экранированную конструкцию при необходимости.

Как выбрать индуктивность для ВЧ-цепи

Для согласующей или резонансной цепи порядок будет другим:

1. Определить номинал и допуск.
2. Установить рабочую частоту и полосу.
3. Проверить частоту измерения номинала.
4. Убедиться, что рабочая частота ниже собственной резонансной.
5. Сравнить добротность на рабочей частоте.
6. Проверить графики импеданса и фазы.
7. Учесть паразитные параметры контактных площадок.
8. Проверить температурную стабильность.
9. Проверить согласование на реальной печатной плате.

На СВЧ даже геометрия площадок и переходных отверстий может быть сопоставима по влиянию с параметрами самой чип-индуктивности.

Пример сравнения двух компонентов

Предположим, для преобразователя нужна индуктивность 4,7 мкГн, пиковый ток составляет 2,5 А, а действующий — 2 А.

Рассматриваются две модели:

Обе модели формально имеют подходящий номинал, но модель A работает близко к обоим токовым пределам.

Потери в обмотке модели A:

P _A =2²⋅0,08=0,32 Вт

Потери в обмотке модели B:

P _B =2²⋅0,04=0,16 Вт

По сопротивлению и токовым характеристикам модель B предпочтительнее. Однако перед окончательным выбором необходимо сравнить размеры, потери в сердечнике и графики зависимости индуктивности от тока.

Типичные ошибки

При выборе чип-индуктивности чаще всего допускают следующие ошибки:

1. Выбирают компонент только по номиналу.
2. Не проверяют частоту измерения индуктивности.
3. Игнорируют собственную резонансную частоту.
4. Сравнивают добротность на разных частотах.
5. Принимают сопротивление постоянному току за полное сопротивление потерь.
6. Не различают пиковый и действующий ток.
7. Считают ток насыщения максимально допустимым током вообще.
8. Игнорируют снижение индуктивности под постоянным током.
9. Не учитывают нагрев платы и окружающей среды.
10. Выбирают минимальный корпус без проверки сопротивления постоянному току.
11. Устанавливают неэкранированную катушку рядом с чувствительной цепью.
12. Не проводят измерения на реальной печатной плате.

Заключение

Выбор чип-индуктивности начинается с определения ее назначения. Для радиочастотной цепи основными параметрами будут добротность, собственная резонансная частота и стабильность номинала. Для силового преобразователя важнее допустимый ток, насыщение, сопротивление постоянному току, нагрев и потери в сердечнике.

При сравнении компонентов необходимо учитывать:

• материал сердечника;
• конструкцию;
• типоразмер;
• номинальную индуктивность и допуск;
• частоту измерения;
• добротность;
• сопротивление постоянному току;
• ток насыщения;
• допустимый ток по нагреву;
• собственную резонансную частоту;
• температурный диапазон;
• магнитное экранирование.

Термин «ток пробоя» для чип-индуктивности лучше заменить точными характеристиками: током насыщения и допустимым током по нагреву. Они описывают разные ограничения и должны проверяться независимо.

Специалисты ЭРКОН помогут подобрать чип-индуктивность для ВЧ-тракта, фильтра или импульсного преобразователя. Для подбора желательно указать номинал, рабочую частоту, допуск, постоянный и пиковый ток, допустимое сопротивление, типоразмер, температурный диапазон и требования к экранированию.