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三星宣称的“世界上最小的功率电感器”具有重大的设计意义

2020年9月24日通过杰克赫兹

本月,三星发布了“世界上最小功率电感器”的新闻。这种微型化对电子设计意味着什么,即使是在理论层面上?

任何接受过EE101的工程师都可能首先通过简单的电压源和电阻网络来介绍电路。一旦完全涵盖了这些内容,他们将继续讨论电容——有点抽象,但足够简单易懂。

然后,他们被介绍给电感器,以磁场的形式储存能量和电流变化时的阻力源。事情开始变得奇怪了。

基本电感器是一个盘绕的线,其集中在该图表中的磁场线

基本电感器是卷绕线,其集中在该图中的磁场线中。

电感器是基本电气部件这让许多学生和年轻的工程师感到恐惧。然而,它们的重要性怎么强调都不过分。我们的整个电气基础设施是基于相同的电磁原理,电感工作。电感无处不在的基本电路块,特别是电源。

他们也处于新研究和发展的前沿——例如,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员最近发明了一种方法结合电感器和电容器。本月,三星(Samsung)发布了一份更大的关于电感器的声明,声称已经完成了创造了业界最小的功率电感

三星的声明有什么意义?对于电气工程师来说,这意味着什么?

电源中的电感器

在流行的电源结构中,如降压/升压变换器,电感是一个关键部件。

在这个电路块中,输入端的电感器工作以抵抗输入电流的突然变化。当MOSFET开启时,电感器以磁场的形式储存来自输入的能量,并在MOSFET关闭时放电。

简化的buck/boost逆变变换器拓扑。

简化的buck/boost逆变变换器拓扑。图片由亚历克斯·冯

这种拓扑非常受欢迎,因为与像依赖于电阻分频器网络的线性逆变器相比,它非常有效,这消耗了显着的功率。这种拓扑还提供了降压(较低)或升压(提升)输入电压以达到所需输出电压的能力,这意味着这种拓扑可以处理输入电压的宽变化。

电源设计的趋势

随着芯片和其他电子设备缩小,电源也缩小了。事实上,很多VLSI领域的研究人员目前正在研究如何使电源微型化,这样它们就可以集成在芯片上,而不是像现在普遍的非芯片那样。

截止芯片的小型化电源将提高系统效率和响应时间,因为电源可以更接近负载,从而消除了促进件沿电力输送网络的影响。

不幸的是,这里的主要障碍是 - 你猜到了它 - 电感。电感器很难小型化因为其电感的值与线圈的面积与线圈的匝数比例地相关。流行的制造电感器,既开启和芯片,根本都不宽松地换取小型化。

一种螺旋电感器,是制造片上电感器最常用的方法之一

一种螺旋电感器,是制造片上电感器最常用的方法之一。图片由达沃Iezekiel

此外,改进的组件规格意味着增加的功率使用,需要功率电感能够承受高电流。

三星宣布“世界上最小的电源电感”

随着这些问题,三星电力机械的研究人员开发了新的电感器,他们声称是世界上最小的电源电感。这些新的电源电感器的0804尺寸为0.8mm x 0.4 mm x .64 mm,这比三星以前最小的产品大小大小为1.2 mm x 1.0 mm x 0.65 mm。

来自三星的新电源电感器

来自三星的新型功率电感器。图片由三星

根据三星的说法,通过应用纳米级的超微微观粉末的新开发的材料来实现小型化。该粉末通过施加调光技术,使用光线标记电路的制造方法使得能够精细间隔开。

小型化电感器提供的机会

随着芯片级和设备级设备的小型化,对更小的电源电路的需求变得至关重要。

为此,小型流行电源架构中的基本障碍之一,如降压/升压转换器,一直是电感器。现在,与三星最近的消息,似乎希望小型化电感器变得越来越有可能。

有了更小的电感器,因此也就有了更小的电源,工程师们将能够创造出效率更高、可靠性更高的电路,这要归功于响应时间的改善和更少的寄生损耗。

三星表示,他们的小型化电感器研发来得正是时候:”与电子设备的高性能和多功能性,激活5 g电信、和可穿戴设备市场的增长,对超小功率电感器的需求将快速增长,及其安装在电子设备预计每年至少增长20%。”