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无源磁性元器件的发展与应用

2005-05-16 13:39:35 来源:国际电子变压器2005年5月刊
1前言
电感(L)元件作为电子设备、整机系统中最基本的元件之一,与电阻(R)、电容(C)并列为三大无源电路零件,且为电路构成的主要要素之一,在电子信息技术中占有重要地位。电感元件可采用不同形状、构成与组装方法、绕线方式,配合其阻容元件、电路系统可作成具有不同功能的器件、组部件,广泛用于众多领域。其基本原理是:
1)用通电流的线圈造成磁性吸着的力量,如继电器;
2)当作阻止交流电流的阻流线圈使用,如线性滤波器;
3)与电容器组合成谐振电路使用的通带滤波器;
4)利用两线圈相互感应使用的变压器;
5)利用感应器可供储存能量之转换式电压调节器等。
电感元件对材料的选择依据是磁导率(μ)、剩磁(Br)、频率范围等。由于构造简单,无需电源,性能稳定,长期的高可靠性,易批量生产和降低成本等优点,只要改变线圈匝数即可适应不同需要,特别是变压器,可任意改变电压、电流及阻抗比,属于调整和调谐电路不可缺少的电路零件。因此无源磁性元器件主要系指电感元件和变压器。
本文就电感元件和变压器的一些基本情况,特别是微型化、片式化器件的发展与应用作了综合介绍。
2无源磁性元器件的发展
2.1分类
就广义而言,电感元件包括一般变压器(Transformer)、各式线圈(Coil)、扼流圈(Choke)、滤波线圈(Filtercoil),电抗器(Reator)、回扫变压器(Flyback Transformer)、偏转线圈(Deflection Yoke),电源变压器、频率变压器、高压变压器等。
按通用分类法,一般分为变压器和线圈两大类,如图1所示。
2.2集成化是无源元件发展的必然趋势
为适应电子整机向数字化、高频化、多功能化、组件化、模块化及便携式发展需要,无源元件的微小型化、多功能化与高频化则是主要方向,而集成化(含有源与无源集成)却是必然趋势;美、日等国家的生产商正加速产品结构转型,放弃中低档产品转向高档通信、航空航天、军工领域。目前已出现了各种R/L/C组合件,采用LTCC(低温陶瓷共烧)技术、薄膜集成技术、PCB技术、SMT技术、MCM多芯片组装技术已做出了多种无源、无源/有源集成块并已付诸应用。
作为支持硅基片集成电路的无源元件的用量越来越大,各系统用无源与有源之比典型值为10:1,某些系统则高达50:1,其中无源元件占用了PCB面积的40%,而30~40%的焊点则是无源元件所致。普通手机中无源元件占手机电路板面积的80%,约占装配成本的70%。而小型元件的研发,在当前已从0603、0805向主流0402过渡的基础上,正向0201发展,日本已开发出0201型,其它国家已加紧0201型的研发,并正在降低成本、缩短生产周期。
目前实现无源元件集成化的基本途径及方法:一是将无源元件小型化及集成化并封装在统一的封装结构中;二是将主要的无源元件(R、L、C)朝半导体芯片化发展,即将元件制作在Si芯片上,如Si-R网络,Si芯片电容等,再以MCM-L、MCM-C、MCM-R的形式提供集成化的无源元件;三是在各种基板和电路布线介质中埋置无源元件。
磁性无源元件主要是线圈、电感和变压器,线圈、电感器市场仍将以片式产品为主导,微小型、精细化、复合化是主要的技术发展方向,片式产品将向卷绕型、叠层型两个方向同时发展。卷绕型产品以2520型产品批产为中心,推进1005型产品商品化;叠层型产品在1005型批产的基础上开发0603、0402、0201型产品。变压器将以小型、薄型、轻量化和高效率为中心,向小尺寸和SMT方向发展。在产品结构方面,环形磁心变压器需求将增长,EI型磁心变压器需求已下降:铁氧体变压器需求将日益增长,叠层硅钢片变压器已急速下降。回扫变压器前景乐观,HDTV、大屏幕、宽屏幕彩电和计算机监视器用的回扫变压器需求将稳步扩大。电源变压器前景光明,计算机及外设和通信产品是新的大市场。
3无源磁性元器件的应用
3.1传统型
电感元件应用广泛,从一般的整机装置至小、轻、高性能电子设备,例如电话、载波装置等有线、无线通迅设备,船舶、航空、商用通讯设备,电视机、收录机、VCD等消费类电子产品,电子计算机、控制设备、自动化工业机器、宇航及军用、可靠性设备等。
以传播声音信息为主要任务的电话装置或载波设备中,通常使用0.3-3.4kHz或0.3-150kHz传输频带的中继线圈,终端装置的电子线路使用各种线圈及变压器。在通讯线路中,通常使用防止感应噪声的感应扼制线圈及改善传输特性之有感线圈。
在航空器、船舶、广播等通讯设备中,收发信机及电源部分通常使用各种线圈和变压器。
在高保真音响的原音重现所用的高逼真度放大器或立体声装置等,通常使用的宽带传输变压器。而一般的收音机、电视机等音频放大器电路中,在输入输出部分及电路耦合上,用了不少小型低频变压器。
在载波电讯、载波电话系统中,为选择并分离各路通话的信号使用了不同的滤波器(由高Q线圈和电容器组成)。在PCM和电子交换系统中,脉冲变压器被大量使用。
在工业设备中的自动化、智能化方面,数字控制用脉冲变压器的需求与日俱增。配合IC及LSIC,对电源的多样化平面化要求,定电压的变压器的需求逐年上升;日光灯、水银灯、高压钠灯等灯具中,线圈和变压器也是不可缺少的电气零件。
军用与航空雷达装置中,大功率脉冲变压器是不可缺少的重要部件,为提高分辨力和扩大测定距离,要使用高压脉冲变压器等等,在此不再一一列举。
3.2微小型化
为适应节能与环保、医学和移动通信,个人计算机(PC),数字音响三大民用市场以及军事电子技术特别是信息战的需要正在向高频、数字化、轻薄短小、小型化技术方向发展。
3.2.1表面贴装磁性元件
a.电感器/磁珠
叠层片式电感器MLCI直到二十世纪九十年代才真正达到规模化生产并得以广泛应用。目前全球需求量约300亿只(含片式磁珠)。美国AEM、日本TDK、村田、太阳诱电等公司世界领先,尤其AEM公司的内联接专利技术,构思巧妙,工艺简便,良品率高,可靠性好,成本低,而且适宜制造微小型产品如1005和0603。我国深圳南虹电子陶瓷公司获得了AEM的专利许可,可大规模全系列生产MLCI,年产量超过10亿只,国内外畅销。为适应高频、高速、微薄型化的需要,MLCI主要向缩小体积、提高GHz频段性能、扩大生产规模、降低成本方面发展。目前1005将逐渐代替1608而成为主流。以LTCC为介质的MLIC在2GHz仍能保持良好特性。如深圳顺络公司生产的SDCL0603系列,尺寸为0.6×0.3×0.3(mm),电感量为1~22nH,频率达1800MHz时Q值仍高于30。TDK新近开发的叠层型陶瓷1005片式电感器的工作频率可达12GHz,电感量为100nH,精度+/-0.3nH。为满足高精度电路要求,国外开发了激光修调片式电感器。其方法有三:在叠层型MLCI表面制备一层电阻膜,用激光束修调电阻膜而改变MLCI的电感值;在叠层型MLCI表面制备导体膜(不与端电极连接),用激光束减少导体膜的面积而改变MLCI的电感值;用激光束切开短路连线,每切开一次就增加一匝导体线圈,从而调节电感量。如初始值为12.5nH,由激光修调可得到12.7/12.9/13.1/13.5/13.7/13.9/14.1nH。初始值为4.4μH,调后可得4.6/4.8/5.0/5.2μH等。
b.绕线型片式电感器
早期是在小铁氧体磁心上绕线而成,存在着体积大、有漏磁等缺陷,大都被MLCI所替代,但近年来由于移动通信的频率提高到2GHz,以陶瓷为芯的绕线型片式电感在这样高的频率下能保持稳定的电感量和相当高的Q值,因而在高频回路中占据了一席之地。美国Coilcraft公司具有较高水平,国内贵州讯达、上海众玺等厂商都可提供全系列产品。
c.薄膜式电感器
为在微波频段保持高Q、高精度、高稳定性和小体积特性,TDK、MURATA(村田)公司利用薄膜技术在陶瓷基体上刻制导体线圈以作成薄膜片式电感器。如LQPO3T系列,尺寸为0.6×0.3×0.3(mm),电感量为1~15nH,精度为3%。在GHz范围内保持相当的Q值。最近TDK推出的螺旋线磁性金属薄膜1608型片式电感器的SRF达12GHz,精度+/-0.2nH。
d.叠层型片式磁珠MLCB及磁珠阵列
在结构和制造工艺上与MLCI几乎完全相同,只是使用的介质材料和布线有所不同而已。由于电磁干扰及SMT的普遍使用,MLCB市场需求大增,估计为MLCI的两倍以上。现已开发出用于电源线部位的大电流MLCB,电流达6A;用于抑制特殊强干扰点频噪声的尖峰型MLCB,为抑制GHz频率范围的高频MLCB难度较大,而清华大学材料工程系却取得了优异成果。TDK的HF-10和HF-20,MURATA的BLM18H均是高水平的高频MLCB。
为满足有排线的电路要求,MLCB阵列发展很快,如AEM公司的MBA系列,在1.6×3.2×0.89(mm)的封装内并列四个1608型MLCB,大大减少了占据的PCB面积。
e.SMD功率电感器
在许多电路中需要电感量在mH级数安电流的表面贴装型功率电感器。将传统的铁氧体电感器进行片式化改造,引出适合SMT的端电极,从而制造出SMD电感器。TDK最近推出的RLF系列,取消了常用的底座和塑封,而是以罐形铁氧体磁心本身作为外壳,既缩小了高度又减少了漏磁;我国的宜宾899厂、东莞胜美达公司、常州元件六厂均在生产。
高Q值、高SRF和高精度成为电感器的研究方向:
BC公司近期推出一系列高频电感:ICS(1005尺寸)、ICT(1608)和ICU(2012),标准电感值范围为1~100nH,标准容差为5%。在800MHz时,1608和2012尺寸器件的最小Q值为35。
Taiyo Yuden公司依靠新的制造技术,提供的电感系列有1~120nH(1005尺寸)、1~220nH(1608尺寸)和1.5~470nH(2012尺寸)。Q值范围8(100MHz)-39(1GHz),典型容差值为3%,下一步把容差降到2%。Taiyo Yuden的小型贴装高Q多层HK系列电感采用卷带式封装。可减少电磁干扰、增加电池寿命和改进蜂窝电话、传呼机、笔记本电脑和其它使用高频电路产品的整体效率。
AVX公司也在电感的小型化和工作频率的提高,推出了高Q、高精度(±0.1nH)、高SRF和低直流电阻等特性的电感。这种采用小型1608尺寸的封装的Accu-LRF薄膜电感可用于移动通信系统、卫星电视接收机、GPS应用、滤波器和匹配网络,能满足现代蜂窝频率的性能和容差要求。该系列产品的电感值范围为1.2-1.5nH,-55~125℃。
Murata公司有一种采用0201尺寸(0.6×0.3mm)封装的高频表面贴装薄膜电感系列LQP03T。该系列具有截面薄(0.3mm)和高频频带内高Q值的特点。
f.变压器/扼流圈
SMD磁性变压器   利用高性能铁氧体(如PC44)、高磁导率(μ>12000)制作的功率变压器、宽带变压器、网络变压器、脉冲变压器、DC/DC变换器等进行了片式化,推出了相应的各种变压器,品种规格齐全,获得了广泛应用。国内899厂、东莞胜美达、常无六厂等可提供此类产品。
叠层片式压电陶瓷变压器    它是利用功能陶瓷的压电/逆压电效应而设计的一种新型变压器,与传统的磁心绕线变压器相比,具有功耗低、转换效率高(电阻性负载满载时达95%)、输入/输出时间耐压高、漏电流小、不产生和不受外界电磁干扰、尺寸小、易片式化、易与其它元器件集成等诸多优点,采用10W以下压电陶瓷变压器制造的电源产品厚度可降至5.5mm,同时还可完成电流变换、阻抗变换等功能,在结构上以Rosen型多层变压器较为成熟。但真正用于手机、PDA、数码相机、液晶显示等现代电子产品还是近几年的事,故有人称为第三代电子变压器。我国清华大学材料工程系持有几项专利,与陕西康鸿公司合作,研制出厚度仅1.5-2.5mm、体积仅为传统变压器的1/3的片式压电陶瓷变压器,将达到1000万只的生产能力。北京汉之源公司在技术上有所创新正进入规模生产。降低材料成本是扩大市场的关键。
片式扼流圈、共模和差模扼流圈是在信号线和电源线中抑制高频噪声的重要电子元件,现已片式化,分绕线和叠层型两类。叠层型是新产品,TDK将共模和差模集成一起,尺寸仅2.5×2.5×2.0(mm),在100MHz时阻抗为2000Ω。村田在网上发布的叠层片式三绕组共模扼流圈的尺寸仅为2.5×2.0×1.25(mm),能同时抑制高速数字电路的共模和差模噪声,而对音频信号不产生影响,不会造成声音的畸变和交扰,因而特别适合便携式数字音影电子产品如MP3等的需要。
3.2.2片式电感的应用
微型化器件随着电子整机小型、轻量、高性能的发展而迅速推进,进而获得了广泛应用。例如移动设备(手机、数码摄相机、DVD、CD和MD等)所用电路元件的两个重要发展趋势是,设计日益小型化和
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