NX系列功率扼流圈
2005-04-09 10:48:38
来源：《国际电子变压器》2005年4月刊
1前言
近年来，人们正在谋求驱动高速、大容量化CPU的VRM（Voltage Regulator Module）电源，进一步实现高频大电流化，并要求VRM电源所用的同期整理型降压断续开关电路中的功率扼流圈（以下称PCC）工作频率应达到150KHz～300KHz，额定电流值15A～20A，峰值电流值达到20A～30A。
另外，笔记本电脑迫切要求薄形化，对应薄形化，若使用台式电脑中通常所用的环形线圈，就不太合适。作为笔记本电脑通常是使用表面贴装型（对应SMD）产品，尺寸应在12.5mm～13.0mm范围内，高为4.0mm～5.0mm，并具备高性能化。
根据这样的需求，决定PCC性能的基础元件——磁心用磁性材料，用新型材料代替过去的铁氧体材料，并开发出了具有高频、大电流特性的金属磁粉心“MGM-A2”材料。图1示出了VRM电源的模块和PCC-NX系列产品的外观。
2磁性材料
2.1过去的磁性材料
对应PCC所要求的高性能化，使用过去的磁性材料是非常困难的。要求PCC用于高频、大电流，降低磁心损耗是必不可少的。磁心损耗大致有磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗依存在静磁场下的B-H回线中，矫顽力（Hc）越小，残余应力也就越低。当施加高频磁场时，在其抵消的方向发生涡电流，而产生涡流损耗，磁性材料的固有电阻越高，涡电流的流经领域越少。
正如图2所示，软磁性材料分为铁氧体磁性材料和金属磁性材料两种。铁氧体磁性材料由于在磁心损耗低的同时，饱和磁通密度（Bs）也低，故一通过大电流，就容易引起磁饱和，对应大电流只有加大磁心体积。以往的金属磁性材料，虽然饱和磁通密度（Bs）高，可以通过大电流，但因固有电阻低，故在涡流损耗大和高频驱动下，增加了磁心的发热不能使用。
过去的PCC是使用前述的铁氧体磁性材料，对一部分磁路设有气隙，这是为防止存在磁饱和的弱点而设计的。对有效磁导率下降带来电感量下降所采取的措施，是增加线圈匝数来提高电感量。不过，由于直流电阻增加，也增加损耗，故对应大电流化，就会加大磁心体积。为此，在同一体积下的大电流化，超过0.5T的一般界限，改进铁氧体磁性材料的饱和磁通密度是相当困难的。面对磁性材料，就应谋求新的思路。
2.2新一代磁性材料MGM-A2
决定PCC的大部分性能，取决于作为基本元件的磁心材料，研究人员开发出了具有新概念的新一代磁性材料。
a.铁氧体磁性材料中的低损耗材料；
b.金属磁性材料中的高饱和磁通密度材料；
c.可以成型异形状（对应SMD）的材料。
过去，磁粉心作为金属磁性粉末和绝缘材料的复合体而存在。但由于必须在高压下成型，故以压制环状磁心为主；压制异形状磁心，为确保模具强度，实现起来非常困难。另外，在高压下压制成型时，因磁性粉末的应变，增大了磁滞损耗，故在高频下不能使用。为了解决这一不足，首先改造压制模具的构造，开发出了压制异形状磁心，也能确保1～1.2GPa（10～12ton/cm2）的耐高压特性。使用这种模具，金属磁粉与绝缘材料结合，压制该复合磁性材料时，在模具中的流动性良好，成功地实现了所希望的异形状成型 。
如今开发的具有低损耗和大电流特性（DC叠加特性）的新型磁性材料MGM(Multi-Gap controlled Materials)-A2材料的截面积模式图示于图3。
MGM-A2材料（以下称A2材料）是由平均粒径约20μm的金属磁粉和绝缘材料以及间隔（空格）材料所组成，粉末压制成型后，进行高温退火处理，经过缓和磁性体中压制时剩余的应变，作为异形状磁心，磁性体密度可达到约90vol%左右。间隔材料是控制相邻的金属磁粉间的多隙幅度不要扩展，而且还确实防止了相邻的金属磁粉的接触，起到了提高磁导率和降低涡流损耗的双重作用。下面示出了A2材料的代表特性：
起始磁导率μi=95
饱和磁通密度Bs=1.4T
磁损耗PL=800KW/m3（100KHz、100mT、100K）
居里温度Tc＞400K
正如以上所示，其特点是提高了金属系磁性材料的饱和磁通密度，并实现了具有降低磁损耗和异形状成型的新一代磁性材料“MGM-A2”。另外，A2材料的居里温度高于400K，使用金属磁粉，与过去的铁氧体磁性材料比较，具有散热性好、热稳定性好的特点。还有，附加说明的是与同等材料一样，即使有一定的应力，也可采用树脂屏蔽，其特性几乎没有变化。
3 PCC-NX
3.1结构与磁路设计
在允许的小型、薄形尺寸范围内，作为达到大电流化的手段，对应所开发的A2材料和大电流化的低直流电阻化以及薄形化，采用扁平立绕线圈组合，利用磁性模拟分析A2材料磁心形状的结果。作为合适的磁心形状，由磁心的磁通密度分布分析，发现可以削减磁心背厚截面积，制成薄形变形的罐形磁心形状。
详细情况是，作为用新型磁性材料A2材料的整个磁心磁路的有效磁导率，超过了过去的铁氧体材料，作为材料的磁导率，由于是多隙结构，故比铁氧体磁性材料低，因饱和磁通密度非常高，利用过去铁氧体磁性材料的PCC磁路设计，可充分发挥A2材料的特长。另外，从中可发现其结构具有薄形且效果良好的磁心形状，再利用软件技术，对该材料经过多年的磁性分析，根据磁模拟分析的结果，获得了变形罐形磁心形状的独特设计。
表1示出了与经过磁模拟的过去产品的规格比较。表示大电流时磁饱和特性的DC叠加特性示于图4。PCC-NX用的A2材料的高饱和磁通密度特性和利用磁模拟技术的A2材料所适用的磁路相结合，即使产品做得很薄，VRM电源的峰值电流在20～30A范围内，也不会引起磁饱和，而且性能稳定。因此，使用铁氧体磁性材料制作的以往产品的初期电感值高，是受到一部分磁路设计的气隙和线圈结构的影响，所用的A2材料属于多间隙结构，并显示出稳定的直线特性。
3.2磁损耗
A2材料的磁损耗值在金属系磁粉心中，损耗最低，几乎与NiZn系铁氧体材料相等，与MnZn铁氧体材料相比低3～5倍。不过，由于使用在CPU的VRM电源中，采用的是同期整流型降压断续开关电路方式，故PCC对DC成分叠加转换脉动电流波形，虽然最大磁通密度（Bmax）高，但有关的磁损耗的脉动成分带来有效磁通密度（ΔB）变低，如今，评价在250～300KHz下工作的VRM电源，可以认为温升和电路效率没有差别。
不过，预计今后实施大电流，VRM电源可实现高频化，有必要对A2材料将来的高频化期进程中的磁损耗进行进一步的验证。
现在的VRM电源伴随着CPU的高速应答和大容量化，必须应对高频化和大电流化。将供给CPU的一路输出，装上多个DC/DC变换器（相）来分开输出电流，减轻每个相的负载，并且使转换动作时间偏移，从外表看，达到一路输出的高频化（降低脉动电流）和大电流化的同时，是以多相式为主流，在笔记本电脑中，每一相300KHz，以两相驱动15～20A，通常都是以600KHz、30～40A连续供给CPU。
由于PCC可装在各相中，故这时的通电电流在300KHz下为15～20A。预计到2004～2005年可超过500KHz。经过实验，利用300KHz和600KHz的两个频率，20A的电流，采用A2材料的PCC-NX和一般金属磁性材料的大电流产品的磁损耗对比，评价和验证了VRM电源实际电路工作时的温升（ΔT）。
正如图5所示，PCC-NX的温升在300KHz下，与铁粉心和非晶磁心几乎相等，但在600KHz下，其它材料与PCC-NX比较就存在很大差距。另外，磁心磁损耗的铁损与直流电阻损耗的铜损比较，一旦提高频率，就可确认铁损的增加。在300KHz下，采用其它材料，可利用高磁导率，减少线圈匝数，在获得电感量的设计上，可降低铜损，但磁损耗增加，在600KHz下就免不了发热。
由此可见，给PCC-NX施加大电流，因磁损耗而引起的温升少，即使在将来的VRM电源高频化的进程中，也可充分应对。对于非晶磁心，因非晶特性不具有磁各向异性，虽然显示出良好的软磁特性，但存在着硬和脆的性质，故机械加工十分困难。在制造方法上，因厚度一般在25～30μm，超过300KHz的高频就不能驱动，而且成本很高，目前没有实用价值。
3.3振动蜂鸣音
为了确保笔记本电脑CPU负载急变和待机时蓄电池的寿命，VRM电源的频率下降到几百Hz，就要控制提高电路效率。为此，虽然通过变动磁化力，由磁心产生振动蜂鸣音，但使用过去的EI型铁氧体磁心，中心腿要设计磁气隙，原因是容易产生机械振动。另外，采用端子引出线结构，当双绕组窗口的绕线匝数结构不同于1匝（T）的半匝时，磁心外腿产生偏磁现象，使负载电流急变时加速产生振动平衡的不规则。
PCC-NX利用A2材料的多间隙结构，因磁路中的间隙不集中，故基本不产生机械振动，再加上采用变形罐形磁心形状，不会因产生匝数差而带来偏磁现象。作为评价结果，对应过去产品的40.1dB，振动蜂鸣音
近年来，人们正在谋求驱动高速、大容量化CPU的VRM（Voltage Regulator Module）电源，进一步实现高频大电流化，并要求VRM电源所用的同期整理型降压断续开关电路中的功率扼流圈（以下称PCC）工作频率应达到150KHz～300KHz，额定电流值15A～20A，峰值电流值达到20A～30A。
另外，笔记本电脑迫切要求薄形化，对应薄形化，若使用台式电脑中通常所用的环形线圈，就不太合适。作为笔记本电脑通常是使用表面贴装型（对应SMD）产品，尺寸应在12.5mm～13.0mm范围内，高为4.0mm～5.0mm，并具备高性能化。
根据这样的需求，决定PCC性能的基础元件——磁心用磁性材料，用新型材料代替过去的铁氧体材料，并开发出了具有高频、大电流特性的金属磁粉心“MGM-A2”材料。图1示出了VRM电源的模块和PCC-NX系列产品的外观。
2磁性材料
2.1过去的磁性材料
对应PCC所要求的高性能化，使用过去的磁性材料是非常困难的。要求PCC用于高频、大电流，降低磁心损耗是必不可少的。磁心损耗大致有磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗依存在静磁场下的B-H回线中，矫顽力（Hc）越小，残余应力也就越低。当施加高频磁场时，在其抵消的方向发生涡电流，而产生涡流损耗，磁性材料的固有电阻越高，涡电流的流经领域越少。
正如图2所示，软磁性材料分为铁氧体磁性材料和金属磁性材料两种。铁氧体磁性材料由于在磁心损耗低的同时，饱和磁通密度（Bs）也低，故一通过大电流，就容易引起磁饱和，对应大电流只有加大磁心体积。以往的金属磁性材料，虽然饱和磁通密度（Bs）高，可以通过大电流，但因固有电阻低，故在涡流损耗大和高频驱动下，增加了磁心的发热不能使用。
过去的PCC是使用前述的铁氧体磁性材料，对一部分磁路设有气隙，这是为防止存在磁饱和的弱点而设计的。对有效磁导率下降带来电感量下降所采取的措施，是增加线圈匝数来提高电感量。不过，由于直流电阻增加，也增加损耗，故对应大电流化，就会加大磁心体积。为此，在同一体积下的大电流化，超过0.5T的一般界限，改进铁氧体磁性材料的饱和磁通密度是相当困难的。面对磁性材料，就应谋求新的思路。
2.2新一代磁性材料MGM-A2
决定PCC的大部分性能，取决于作为基本元件的磁心材料，研究人员开发出了具有新概念的新一代磁性材料。
a.铁氧体磁性材料中的低损耗材料；
b.金属磁性材料中的高饱和磁通密度材料；
c.可以成型异形状（对应SMD）的材料。
过去，磁粉心作为金属磁性粉末和绝缘材料的复合体而存在。但由于必须在高压下成型，故以压制环状磁心为主；压制异形状磁心，为确保模具强度，实现起来非常困难。另外，在高压下压制成型时，因磁性粉末的应变，增大了磁滞损耗，故在高频下不能使用。为了解决这一不足，首先改造压制模具的构造，开发出了压制异形状磁心，也能确保1～1.2GPa（10～12ton/cm2）的耐高压特性。使用这种模具，金属磁粉与绝缘材料结合，压制该复合磁性材料时，在模具中的流动性良好，成功地实现了所希望的异形状成型 。
如今开发的具有低损耗和大电流特性（DC叠加特性）的新型磁性材料MGM(Multi-Gap controlled Materials)-A2材料的截面积模式图示于图3。
MGM-A2材料（以下称A2材料）是由平均粒径约20μm的金属磁粉和绝缘材料以及间隔（空格）材料所组成，粉末压制成型后，进行高温退火处理，经过缓和磁性体中压制时剩余的应变，作为异形状磁心，磁性体密度可达到约90vol%左右。间隔材料是控制相邻的金属磁粉间的多隙幅度不要扩展，而且还确实防止了相邻的金属磁粉的接触，起到了提高磁导率和降低涡流损耗的双重作用。下面示出了A2材料的代表特性：
起始磁导率μi=95
饱和磁通密度Bs=1.4T
磁损耗PL=800KW/m3（100KHz、100mT、100K）
居里温度Tc＞400K
正如以上所示，其特点是提高了金属系磁性材料的饱和磁通密度，并实现了具有降低磁损耗和异形状成型的新一代磁性材料“MGM-A2”。另外，A2材料的居里温度高于400K，使用金属磁粉，与过去的铁氧体磁性材料比较，具有散热性好、热稳定性好的特点。还有，附加说明的是与同等材料一样，即使有一定的应力，也可采用树脂屏蔽，其特性几乎没有变化。
3 PCC-NX
3.1结构与磁路设计
在允许的小型、薄形尺寸范围内，作为达到大电流化的手段，对应所开发的A2材料和大电流化的低直流电阻化以及薄形化，采用扁平立绕线圈组合，利用磁性模拟分析A2材料磁心形状的结果。作为合适的磁心形状，由磁心的磁通密度分布分析，发现可以削减磁心背厚截面积，制成薄形变形的罐形磁心形状。
详细情况是，作为用新型磁性材料A2材料的整个磁心磁路的有效磁导率，超过了过去的铁氧体材料，作为材料的磁导率，由于是多隙结构，故比铁氧体磁性材料低，因饱和磁通密度非常高，利用过去铁氧体磁性材料的PCC磁路设计，可充分发挥A2材料的特长。另外，从中可发现其结构具有薄形且效果良好的磁心形状，再利用软件技术，对该材料经过多年的磁性分析，根据磁模拟分析的结果，获得了变形罐形磁心形状的独特设计。
表1示出了与经过磁模拟的过去产品的规格比较。表示大电流时磁饱和特性的DC叠加特性示于图4。PCC-NX用的A2材料的高饱和磁通密度特性和利用磁模拟技术的A2材料所适用的磁路相结合，即使产品做得很薄，VRM电源的峰值电流在20～30A范围内，也不会引起磁饱和，而且性能稳定。因此，使用铁氧体磁性材料制作的以往产品的初期电感值高，是受到一部分磁路设计的气隙和线圈结构的影响，所用的A2材料属于多间隙结构，并显示出稳定的直线特性。
3.2磁损耗
A2材料的磁损耗值在金属系磁粉心中，损耗最低，几乎与NiZn系铁氧体材料相等，与MnZn铁氧体材料相比低3～5倍。不过，由于使用在CPU的VRM电源中，采用的是同期整流型降压断续开关电路方式，故PCC对DC成分叠加转换脉动电流波形，虽然最大磁通密度（Bmax）高，但有关的磁损耗的脉动成分带来有效磁通密度（ΔB）变低，如今，评价在250～300KHz下工作的VRM电源，可以认为温升和电路效率没有差别。
不过，预计今后实施大电流，VRM电源可实现高频化，有必要对A2材料将来的高频化期进程中的磁损耗进行进一步的验证。
现在的VRM电源伴随着CPU的高速应答和大容量化，必须应对高频化和大电流化。将供给CPU的一路输出，装上多个DC/DC变换器（相）来分开输出电流，减轻每个相的负载，并且使转换动作时间偏移，从外表看，达到一路输出的高频化（降低脉动电流）和大电流化的同时，是以多相式为主流，在笔记本电脑中，每一相300KHz，以两相驱动15～20A，通常都是以600KHz、30～40A连续供给CPU。
由于PCC可装在各相中，故这时的通电电流在300KHz下为15～20A。预计到2004～2005年可超过500KHz。经过实验，利用300KHz和600KHz的两个频率，20A的电流，采用A2材料的PCC-NX和一般金属磁性材料的大电流产品的磁损耗对比，评价和验证了VRM电源实际电路工作时的温升（ΔT）。
正如图5所示，PCC-NX的温升在300KHz下，与铁粉心和非晶磁心几乎相等，但在600KHz下，其它材料与PCC-NX比较就存在很大差距。另外，磁心磁损耗的铁损与直流电阻损耗的铜损比较，一旦提高频率，就可确认铁损的增加。在300KHz下，采用其它材料，可利用高磁导率，减少线圈匝数，在获得电感量的设计上，可降低铜损，但磁损耗增加，在600KHz下就免不了发热。
由此可见，给PCC-NX施加大电流，因磁损耗而引起的温升少，即使在将来的VRM电源高频化的进程中，也可充分应对。对于非晶磁心，因非晶特性不具有磁各向异性，虽然显示出良好的软磁特性，但存在着硬和脆的性质，故机械加工十分困难。在制造方法上，因厚度一般在25～30μm，超过300KHz的高频就不能驱动，而且成本很高，目前没有实用价值。
3.3振动蜂鸣音
为了确保笔记本电脑CPU负载急变和待机时蓄电池的寿命，VRM电源的频率下降到几百Hz，就要控制提高电路效率。为此，虽然通过变动磁化力，由磁心产生振动蜂鸣音，但使用过去的EI型铁氧体磁心，中心腿要设计磁气隙，原因是容易产生机械振动。另外，采用端子引出线结构，当双绕组窗口的绕线匝数结构不同于1匝（T）的半匝时，磁心外腿产生偏磁现象，使负载电流急变时加速产生振动平衡的不规则。
PCC-NX利用A2材料的多间隙结构，因磁路中的间隙不集中，故基本不产生机械振动，再加上采用变形罐形磁心形状，不会因产生匝数差而带来偏磁现象。作为评价结果，对应过去产品的40.1dB，振动蜂鸣音
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