强磁场中薄膜磁心电感器的电气特性与磁场强度的关系探讨
2005-06-08 16:59:51
来源：《国际电子变压器》2005年6月刊
1引言
薄膜磁心电感器和变压器已大量应用于手机、车载电话及许多微小型电子设备使用的直流变换器之中，而且其效率已达到80%以上。由于它们符合高功率密度的要求，具有良好的散热性能，故这种薄膜磁心电感器件可用于电流密度大于1000A/mm2的场合。由此可见，磁性薄膜面临着强磁场的要求与考验。
薄膜磁心电感器件所工作的强磁场分为：(1)强直流磁场与弱交流磁场；(2)强交流磁场与弱或强直流磁场。第二种情况多用于直流变换器中的变压器和谐振电感器。
文章记述了使用自行研制的测量高频与强磁场特性的仪器，从电感与电阻变化、磁通饱和、温升以及这些性能之间的相应关系等几个方面，在1MHz-30MHz频率范围内对薄膜磁心进行分析研究。为了探讨具有气隙薄膜磁心的磁通饱和问题及基于二维交流磁场的计算，还探讨了电感器中的磁通分布状况。
2试验测试步骤
图1所示为两种曲折型线圈电感器。一种为闭合磁路，另一种为开放磁路。磁性薄膜要制作成设计要求的形状，以便于沿难磁化轴方向向线圈施加磁场。薄膜使用溅射沉积2μm厚的82Ni13Fe3Mo2Cu和2μm厚的Cu两种膜构成，并用其制成电感器。线圈上有20个引脚，其长度LC为3.5mm，线圈宽度We为100μm，线圈间距dc为100μm。电感器的外形尺寸是3.5mm×3.9mm。闭合式线圈上下磁性薄膜叠接，其长度Wo为10μm。这些试验用电感器为弱磁场特性。
图2所示为频率达30MHz时强磁场阻抗的测量系统。它由一台网络分析仪（HP8752A）、一台功率放大器（K-225C）、两只衰减器和受测电感器组成。传输线几乎是零损耗的。β1～β5分别是传输线所示部分（其长度为L1~L5）的相位系数。网络分析仪和衰减器的特性阻抗ZO精确为50Ω，而放大器与其标称值匹配。因此，在放大器与电感器之间发生多信号反射。在这种情况下，在网络分析仪上测得的散射矩阵的传输系数S21为：
(1)
式中，为电感器本身的传输系数，S22amp为放大器输出端口的反射系数，AS为衰减量，是衰减器输入/输出端口的相位差。磁性薄膜电感器的阻抗Zr，可根据值，用常用的分布参数网络理论的关系式求得：
(2)
式中，Rr是电感器的阻抗，Lr是电感器的电感量。如果衰减量大得可以满足AS<<1，那么，根据式(1)和式(2)可以得到=S21，因为|S22amp|=1。频率达到30MHz时，为了满足这一条件，可设AS＝-16db。
图3所示为样品测试用支架。电感器的表面温度用一台红外温度传感器（TVS-4500）从电感器的上表面测得。闭合式电感器的热辐射系数为0.53，开放式的则为0.60。这个值是由磁性薄膜与玻璃基片的热辐射系数与二者的表面积之比计算出来的。
3磁性薄膜电感器的磁特性与电气特性
图4所示为NiFeMoCu薄膜的磁化曲线，其实线表示沿难磁化轴方向的磁化曲线，虚线表示开放式电感器的视在磁化曲线。它们是用一种二维有限元模拟软件计算出来的。该薄膜的各向异性原磁场为270A/m，开放式电感器的视在各向异性磁场为1000A/m。
图5所示为闭合式电感器的电气特性。在150A/m不饱和区域的电感量最大。直流磁导率在150A/m附近也是最大，见图6所示。在磁通不饱和区域内，电阻随电流强度的增加而增加，尽管文章中未给出数据，这一趋势是与磁薄膜的磁滞损耗相对应的。在磁通饱和区域内，电阻值恒定不变。
对于开放式电感器，磁导率对它的电气性能的影响是较小的，如图7所示。这是因为气隙的磁阻相对较大。这种趋势延伸到1000A/m，它与图4所示的视在各向异性磁场的情况相同。
4磁性薄膜电感器的温度特性
图8所示为电感器表面温度θ。这是根据一种简单的热传导模型计算所得的值，假定在电感器表平面上的热是均匀地产生的，并且该热仅垂直地沿电感器表面流动，其方程式为：
(3)
式中，θa是室温，Rr为电感器的电阻值，I是电流强度，αa为铜导体与空气间的热传导系数(3.5W/m2k)，So是电感器的有效散热面积。Rr值取决于所流经的电流强度和激励频率，所求出的这些值由图5(b)和图7(b)所示。式(3)中的电感器有效散热面积是通过对一个供参考的空心薄膜电感器的测量温度而实验求得的。求得的值为：So=22cm2，它与激励频率和电流强度无关。
在图8中，温度的计算值与测量值十分吻合。开放式电感器的发热小于闭合式电感器，因为前者的交变磁通密度较小，见图4所示。而且，随温度升高，相应地测得的信号电阻数值就大。
确定了额定电流和允许温度后，利用式(3)就可以估算电阻值的上限。为了避免电感器过热，电阻值必须限制在图9中极限线的左下区域。例如，如果额定电流为500mA，允许温度为50℃，则在工作频率上的电阻值必须小于4Ω。需要注意的是，如果是集成电路，允许的电阻值应更小，因为上述估算值是以较大的散热面积为前提的。
5结论
以自行研制的一种频率范围在1MHz~30MHz，电流达300mA的磁心阻抗测试仪，测试了用NiFeCuMo磁性薄膜制作的电感器。得出了施加的磁场强度与电感器特性之间存在着如下关系：
a.对于闭合式电感器，当磁心的直流磁导率达到最大时的电感值最大。在磁通不饱和的区域内，电阻值随电流强度的增加而增加，与此相应的是其直流磁滞损耗也增加。
b.对于开放式电感器，在磁通不饱和区域内，因磁心气隙的磁阻大，电感值与电阻值几乎与场强无关。
c.当温度升高，相应地测得的信号电阻的数值增大。在确定了额定电流和允许温度，就能够估算出最大电流强度和电阻值上限之间的关系。例如，如果额定电流为500mA，容许温度为50℃，则在工作频率上的电阻值必须小于4Ω。
参考文献(略)
薄膜磁心电感器和变压器已大量应用于手机、车载电话及许多微小型电子设备使用的直流变换器之中，而且其效率已达到80%以上。由于它们符合高功率密度的要求，具有良好的散热性能，故这种薄膜磁心电感器件可用于电流密度大于1000A/mm2的场合。由此可见，磁性薄膜面临着强磁场的要求与考验。
薄膜磁心电感器件所工作的强磁场分为：(1)强直流磁场与弱交流磁场；(2)强交流磁场与弱或强直流磁场。第二种情况多用于直流变换器中的变压器和谐振电感器。
文章记述了使用自行研制的测量高频与强磁场特性的仪器，从电感与电阻变化、磁通饱和、温升以及这些性能之间的相应关系等几个方面，在1MHz-30MHz频率范围内对薄膜磁心进行分析研究。为了探讨具有气隙薄膜磁心的磁通饱和问题及基于二维交流磁场的计算，还探讨了电感器中的磁通分布状况。
2试验测试步骤
图1所示为两种曲折型线圈电感器。一种为闭合磁路，另一种为开放磁路。磁性薄膜要制作成设计要求的形状，以便于沿难磁化轴方向向线圈施加磁场。薄膜使用溅射沉积2μm厚的82Ni13Fe3Mo2Cu和2μm厚的Cu两种膜构成，并用其制成电感器。线圈上有20个引脚，其长度LC为3.5mm，线圈宽度We为100μm，线圈间距dc为100μm。电感器的外形尺寸是3.5mm×3.9mm。闭合式线圈上下磁性薄膜叠接，其长度Wo为10μm。这些试验用电感器为弱磁场特性。
图2所示为频率达30MHz时强磁场阻抗的测量系统。它由一台网络分析仪（HP8752A）、一台功率放大器（K-225C）、两只衰减器和受测电感器组成。传输线几乎是零损耗的。β1～β5分别是传输线所示部分（其长度为L1~L5）的相位系数。网络分析仪和衰减器的特性阻抗ZO精确为50Ω，而放大器与其标称值匹配。因此，在放大器与电感器之间发生多信号反射。在这种情况下，在网络分析仪上测得的散射矩阵的传输系数S21为：
(1)
式中，为电感器本身的传输系数，S22amp为放大器输出端口的反射系数，AS为衰减量，是衰减器输入/输出端口的相位差。磁性薄膜电感器的阻抗Zr，可根据值，用常用的分布参数网络理论的关系式求得：
(2)
式中，Rr是电感器的阻抗，Lr是电感器的电感量。如果衰减量大得可以满足AS<<1，那么，根据式(1)和式(2)可以得到=S21，因为|S22amp|=1。频率达到30MHz时，为了满足这一条件，可设AS＝-16db。
图3所示为样品测试用支架。电感器的表面温度用一台红外温度传感器（TVS-4500）从电感器的上表面测得。闭合式电感器的热辐射系数为0.53，开放式的则为0.60。这个值是由磁性薄膜与玻璃基片的热辐射系数与二者的表面积之比计算出来的。
3磁性薄膜电感器的磁特性与电气特性
图4所示为NiFeMoCu薄膜的磁化曲线，其实线表示沿难磁化轴方向的磁化曲线，虚线表示开放式电感器的视在磁化曲线。它们是用一种二维有限元模拟软件计算出来的。该薄膜的各向异性原磁场为270A/m，开放式电感器的视在各向异性磁场为1000A/m。
图5所示为闭合式电感器的电气特性。在150A/m不饱和区域的电感量最大。直流磁导率在150A/m附近也是最大，见图6所示。在磁通不饱和区域内，电阻随电流强度的增加而增加，尽管文章中未给出数据，这一趋势是与磁薄膜的磁滞损耗相对应的。在磁通饱和区域内，电阻值恒定不变。
对于开放式电感器，磁导率对它的电气性能的影响是较小的，如图7所示。这是因为气隙的磁阻相对较大。这种趋势延伸到1000A/m，它与图4所示的视在各向异性磁场的情况相同。
4磁性薄膜电感器的温度特性
图8所示为电感器表面温度θ。这是根据一种简单的热传导模型计算所得的值，假定在电感器表平面上的热是均匀地产生的，并且该热仅垂直地沿电感器表面流动，其方程式为：
(3)
式中，θa是室温，Rr为电感器的电阻值，I是电流强度，αa为铜导体与空气间的热传导系数(3.5W/m2k)，So是电感器的有效散热面积。Rr值取决于所流经的电流强度和激励频率，所求出的这些值由图5(b)和图7(b)所示。式(3)中的电感器有效散热面积是通过对一个供参考的空心薄膜电感器的测量温度而实验求得的。求得的值为：So=22cm2，它与激励频率和电流强度无关。
在图8中，温度的计算值与测量值十分吻合。开放式电感器的发热小于闭合式电感器，因为前者的交变磁通密度较小，见图4所示。而且，随温度升高，相应地测得的信号电阻数值就大。
确定了额定电流和允许温度后，利用式(3)就可以估算电阻值的上限。为了避免电感器过热，电阻值必须限制在图9中极限线的左下区域。例如，如果额定电流为500mA，允许温度为50℃，则在工作频率上的电阻值必须小于4Ω。需要注意的是，如果是集成电路，允许的电阻值应更小，因为上述估算值是以较大的散热面积为前提的。
5结论
以自行研制的一种频率范围在1MHz~30MHz，电流达300mA的磁心阻抗测试仪，测试了用NiFeCuMo磁性薄膜制作的电感器。得出了施加的磁场强度与电感器特性之间存在着如下关系：
a.对于闭合式电感器，当磁心的直流磁导率达到最大时的电感值最大。在磁通不饱和的区域内，电阻值随电流强度的增加而增加，与此相应的是其直流磁滞损耗也增加。
b.对于开放式电感器，在磁通不饱和区域内，因磁心气隙的磁阻大，电感值与电阻值几乎与场强无关。
c.当温度升高，相应地测得的信号电阻的数值增大。在确定了额定电流和允许温度，就能够估算出最大电流强度和电阻值上限之间的关系。例如，如果额定电流为500mA，容许温度为50℃，则在工作频率上的电阻值必须小于4Ω。
参考文献(略)
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