Use mini-indutores moldados para poupar espaço, reduzir perdas e melhorar a integridade e a eficiência da energia

Os indutores são um componente crucial nos projetos de conversores e reguladores de tensão. Devido às suas funções de armazenamento e recuperação de energia, eles estão presentes em quase todos os circuitos que regulam a alimentação. Como as aplicações tendem a ter projetos menores e mais compactos, que devem ser cada vez mais eficientes em termos de energia, os projetistas precisam ser mais criteriosos na escolha do indutor para acomodar essas tendências e, ao mesmo tempo, lidar com correntes mais altas.

A redução das perdas de energia e o aumento da eficiência dependem muito do projeto e do material do núcleo do indutor. Por exemplo, o uso de mini-indutores moldados reduz o volume do indutor e, ao mesmo tempo, traz todos os benefícios dos indutores mais convencionais, além de maior blindagem contra interferência eletromagnética (EMI), maior densidade de potência e menores perdas no núcleo.

Este artigo descreve brevemente os indutores e a indutância. Em seguida, ele apresenta os mini-indutores moldados da Abracon LLC e discute sua seleção e aplicação.

Indutores e indutância

Os indutores são componentes passivos de dois terminais que armazenam e recuperam energia na forma de um campo magnético. Geralmente, eles têm a forma de um fio isolado enrolado em uma bobina. Uma corrente aplicada ao indutor cria um campo magnético proporcional a essa corrente dentro da bobina. Se a corrente aplicada mudar, ela cria um campo magnético variável no tempo que induz uma força eletromotriz (EMF) no condutor. A tensão induzida tem uma polaridade que se opõe à mudança na corrente que a criou. Os indutores são caracterizados por sua indutância, que é a relação entre a tensão induzida e a taxa de variação da corrente. O Henry (H) é a unidade de indutância, que pode ser aumentada criando uma bobina com mais espiras, construindo uma seção transversal maior, diminuindo o comprimento da bobina ou usando um núcleo com um material de maior permeabilidade (Figura 1).

Figura 1: São mostrados os fatores que determinam a indutância de uma bobina. (Fonte da imagem: Abracon)

A permeabilidade é uma característica magnética, e os materiais do núcleo com maior permeabilidade geram uma densidade maior de fluxo magnético, permitindo o armazenamento de mais energia. Portanto, a indutância também é proporcional à permeabilidade do material do núcleo do indutor. Um núcleo altamente permeável pode reduzir o tamanho e o peso do indutor sem reduzir o valor da indutância, resultando em um invólucro geral menor e mais leve.

Os materiais do núcleo incluem ar, ferro, aço, pó de ferro, pó de metal, cerâmica e ferrite. Ferrites são materiais cerâmicos combinados com óxido de ferro em pó e/ou outros metais em pó para fornecer um material de núcleo com alta permeabilidade. Os núcleos em pó usam metais magnéticos em pó misturados com um aglutinante e um revestimento. A seleção do metal, do aglutinante e até mesmo a inclusão de bolhas de ar na mistura determinam a permeabilidade do material do núcleo resultante.

Especificações do indutor

As especificações críticas para indutores usados em aplicações de energia são a indutância, a resistência CC (DCR), a corrente de saturação, a corrente de aumento de temperatura, a corrente nominal, a frequência autorressonante (SRF) e o fator de qualidade (Q).

A DCR, às vezes chamada de perda no fio, é a resistência medida de um indutor para uma fonte de CC. A DCR varia proporcionalmente à indutância devido ao comprimento e à área da seção transversal do fio. Os indutores de potência geralmente têm uma DCR na casa das dezenas de miliohms (mΩ) para garantir baixas perdas de condução. Na maioria dos casos, a DCR é especificada como um dimensionamento máximo.

À medida que a corrente através de um indutor aumenta, o campo magnético aumenta proporcionalmente até atingir a saturação; nesse ponto, a permeabilidade começa a diminuir. Os aumentos de corrente além desse ponto fazem com que a indutância caia. A corrente de saturação é a corrente em que a resistência cai uma quantidade específica da indutância nominal. Os indutores de potência geralmente usam uma redução de 10 a 30% como limite de especificação.

A corrente de aumento de temperatura é especificada como o nível de CC em que a temperatura do invólucro de um indutor aumenta em 40°C.

A corrente nominal é especificada como o valor mais baixo da corrente de saturação ou da corrente de aumento de temperatura, permitindo que um indutor opere abaixo do menor dos dois limites.

SRF é a frequência na qual a reatância da capacitância parasita de um indutor é igual à reatância. Nesse ponto, um indutor opera como um circuito ressonante paralelo. A reatância líquida é zero, e a impedância é extremamente alta e totalmente resistiva. Os indutores geralmente são operados abaixo de sua SRF em aplicações de potência.

O Q de um indutor é uma medida de sua eficiência e é a razão entre sua reatância indutiva e sua resistência em uma determinada frequência. Um Q mais alto significa menos perdas e mais próximo o comportamento de um indutor reflete o de um indutor ideal.

Indutores de potência moldados

Os indutores de potência moldados são dispositivos de montagem em superfície (SMDs) que usam a tecnologia de moldagem para envolver e encapsular a bobina de um indutor. Diferentemente dos indutores tradicionais enrolados em fio, o material de pó magnético de um indutor moldado é pressionado em um molde em torno de uma bobina de fio que envolve os condutores. O composto de moldagem, geralmente um metal em pó e um aglutinante, define a permeabilidade do núcleo do indutor. O enchimento de metal em pó oferece uma resposta de saturação mais suave do que os enchimentos de ferrite. Ele também oferece uma blindagem magnética altamente eficaz, resultando em pouca fuga do fluxo magnético. Um indutor moldado é um componente sólido adequado para ambientes severos, protegendo contra umidade, poeira, choque e vibração. Um indutor moldado não emite ruído acústico porque não tem um núcleo laminado. A construção simples, em uma única peça, oferece excelente estabilidade mecânica e é compacta e leve.

Os mini-indutores moldados da Abracon oferecem todos os benefícios dos indutores moldados em um invólucro pequeno, medindo menos de 3 milímetros (mm). Além de seu tamanho compacto, os mini-indutores moldados incluem alta densidade de potência, baixas perdas no núcleo e de condução, além de excelente blindagem contra EMI.

Os mini-indutores moldados das séries AOTA-B1412 e AOTA-B2012 são oferecidos com uma faixa de indutância de 0,11 a 2,2 micro-henries (µH) e têm dimensões de encapsulamento de 1,4 x 1,2 mm (0,055 x 0,047 pol.) a 2,0 x 1,2 mm (0,079 x 0,047 pol.) com uma altura máxima tão baixa quanto 0,65 mm (0,026 pol.). Esses indutores suportam correntes nominais de 1,9 a 6,4 amperes (A) e são dimensionados para operar em uma faixa de temperatura de -40°C a +125°C.

Um exemplo da série AOTA-B2012 é o Abracon AOTA-B201208SR11MT, um mini-indutor moldado SMD de 0,11 µH com uma corrente nominal de 5,6 A e uma corrente de saturação de 10 A (Figura 2). Ele tem uma DCR de 13 mΩ e uma SRF de 185 megahertz (MHz). É montado em um invólucro de 2,0 mm x 1,2 mm (0,079" x 0,047") com uma altura assentada de 0,8 mm (0,031").

Figura 2: O AOTA-B201208SR11MT é um mini-indutor moldado Abracon típico em um invólucro SMD de menos de 3 mm que protege contra fatores ambientais como umidade, poeira, choque e vibração. (Fonte da imagem: Abracon)

Na faixa superior de indutância da série Abracon AOTA-B2012 está o AOTA-B201208S2R2MT, com indutância de 2,2 µH, corrente nominal de 1,8 A, DCR de 130 mΩ e SRF de 42 MHz. A indutância mais alta exige um número maior de espiras, o que aumenta a DCR e diminui a corrente nominal e a SRF em comparação com o AOTA-B201208SR11MT. As dimensões do invólucro são as mesmas do AOTA-B201208SR11MT, 2,00 mm x 1,20 mm (0,079" x 0,047") com uma altura de 0,8 mm (0,031").

Exemplos da série Abracon AOTA-B1412 são o AOTA-B141206SR33MT e o AOTA-B141206SR47MT. Esses mini-indutores moldados têm o menor encapsulamento com dimensões de 1,4 mm x 1,2 mm (0,055" x 0,047") e uma altura de encapsulamento de apenas 0,65 mm (0,026"). O AOTA-B141206SR33MT tem uma indutância de 0,33 µH, uma corrente nominal de 3,5 A, uma DCR de 32 mΩ e uma SRF de 120 MHz. O AOTA-B141206SR47MT tem uma indutância de 0,47 µH, uma corrente nominal de 2,9 A, uma DCR de 41 mΩ e uma SRF de 115 MHz.

Aplicações para mini-indutores moldados

Apesar de seu tamanho pequeno, os mini-indutores moldados Abracon suportam uma potência substancial com baixas perdas no núcleo e de condução, além de oferecerem blindagem EMI superior. Essas características os tornam a escolha ideal para atender à demanda sem precedentes por conversores de energia em fatores de forma cada vez menores.

As aplicações típicas desses componentes incluem desacoplamento de energia, filtragem e conversores CC/CC (Figura 3).

Figura 3: As aplicações típicas do mini-indutor moldado Abracon incluem desacoplamento de energia, filtragem e conversores CC/CC. (Fonte da imagem: Art Pini)

O desacoplamento de circuitos integrados do barramento de alimentação utiliza a impedância de frequência variável do indutor combinada com as características de impedância complementar de um capacitor para atenuar sinais e ruídos de alta frequência, isolando-os das entradas de alimentação do circuito integrado. DCR baixa e SRF elevada são as características importantes do indutor.

Os filtros controlam a resposta de frequência do caminho do sinal e podem ser configurados como passa-baixa, passa-alta, passa-faixa ou rejeita-faixa. Os filtros indutor-capacitor (LC) fornecem respostas passivas da seleção de frequência para dispositivos de baixa potência que não exigem dispositivos ativos.

Os indutores são o principal elemento de armazenamento de energia nos conversores CC/CC. Eles armazenam energia, enquanto a comutação está fechada e a recuperam quando ela se abre.

Conclusão

Os mini-indutores moldados Abracon oferecem as vantagens dos indutores moldados em um invólucro compacto menor que 3 mm. Apesar de seu tamanho pequeno, eles podem lidar com níveis significativos de potência com baixas perdas no núcleo e de condução, garantindo excelente integridade de potência em pequenos dispositivos eletrônicos.