ミニモールドインダクタを使用してスペースの削減、損失の低減、パワーインテグリティおよび効率の向上を実現

著者 Art Pini

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2024-08-15

インダクタは、電圧コンバータやレギュレータの設計に必要不可欠なコンポーネントです。エネルギーの蓄積と回復の役割を果たすため、電力を制御するほぼすべての回路に搭載されています。アプリケーションがさらに小型でコンパクトな設計を志向する傾向にあるため、電力効率の向上がさらに求められています。大電流を処理すると同時にこのような傾向に対応するために、設計者はインダクタをさらに慎重に選択する必要があります。

電力損失の低減と効率の向上は、インダクタの設計とコア材料に大きく依存します。たとえば、ミニモールドインダクタを使用することで、インダクタを小型化すると同時に、強力な電磁妨害（EMI）シールド、高い電力密度、低いコア損失など、従来のインダクタのあらゆる利点を享受できます。

この記事では、インダクタとインダクタンスについて簡単に説明してから、Abracon LLCのミニモールドインダクタを紹介し、その選択肢とアプリケーションについて検討します。

インダクタとインダクタンス

インダクタは2端子の受動部品で、磁界の形でエネルギーを蓄積および回復させます。一般に、インダクタは絶縁ワイヤをコイルに巻いた形をしています。インダクタに印可される電流が、コイル内の電流に比例した磁界を作ります。印加電流が変化すると、時間とともに変化する磁界が発生し、導線に起電力（EMF）が誘導されます。誘導電圧には、それを誘導した電流変化を妨げる極性があります。インダクタの特性は、誘導電圧と電流変化率の比であるインダクタンスによって決まります。ヘンリー（H）はインダクタンスの単位で、巻数の多いコイルを作ったり、断面積を大きくしたり、コイルを短くしたり、透磁率の高い材質のコアを使ったりすることで増加させることができます（図1）。

コイルのインダクタンスを決定する要因の画像 図1：コイルのインダクタンスを決定する要因を示しています。（画像提供：Abracon）

透磁率とは磁気に関する特性であり、透磁率の高いコア材料は高密度の磁束を発生させるため、より多くのエネルギーを蓄えることができます。そのため、インダクタンスはインダクタのコア材料の透磁率にも比例します。透磁率が高いコアを使用すると、インダクタンス値を下げずにインダクタの大きさと重量を減らすことができるため、パッケージ全体を小型化および軽量化することができます。

コアの材質には、空気、鉄、鋼鉄、鉄粉、金属粉、セラミック、フェライトなどがあります。フェライトは、セラミック材料と粉末酸化鉄などの粉末金属を組み合わせたもので、透磁率の高いコア材料になります。粉末コアでは、粉末状の磁性金属をバインダーやコーティング剤と混ぜ合わせたものが使用されます。できあがるコア材料の透磁率は、金属やバインダーの選択、さらには混合物に気泡を含めるかどうかによって決まります。

インダクタの仕様

電力アプリケーションに使用されるインダクタの重要な仕様は、インダクタンス、DC抵抗（DCR）、飽和電流、温度上昇電流、定格電流、自己共振周波数（SRF）、Q値（Q）です。

DCRはワイヤ損失と呼ばれることもあり、DC電源に対するインダクタ抵抗の測定値です。DCRはワイヤの長さと断面積によって、インダクタンスに比例して変化します。パワーインダクタのDCRは一般的に、低い伝導損失を確保するために数十mΩ程度となっています。ほとんどの場合、このDCRは最大定格として指定されています。

インダクタを流れる電流が増加すると、磁界は比例して飽和に達するまで増加し、この時点で透磁率が減少し始めます。このポイントを超えて電流が増加すると、インダクタンスは低下します。飽和電流は、抵抗が公称インダクタンスの特定の量を減少させる電流です。パワーインダクタでは通常、仕様上の限界値として10～30％減少します。

温度上昇電流は、インダクタのケース温度が40℃上昇するDCレベルとして指定されています。

定格電流は、飽和電流または温度上昇電流の低い方の値として指定され、インダクタは2つの限界値のうち小さい方の値未満で動作できます。

SRFは、インダクタの寄生容量のリアクタンスがインダクタのリアクタンスと等しくなる周波数です。この時点で、インダクタは並列共振回路として動作します。正味リアクタンスはゼロで、インピーダンスは極めて高く、完全に抵抗性になります。インダクタは通常、電力アプリケーションではSRF未満で動作します。

インダクタのQはその効率の尺度であり、特定の周波数での抵抗に対する誘導リアクタンスの比率です。Qが高いほど損失が小さくなり、インダクタの動作が理想的なインダクタの動作に近づきます。

モールドパワーインダクタ

モールドパワーインダクタは、モールド技術を使用してインダクタのコイルを取り囲み、カプセル封止する面実装デバイス（SMD）です。従来の巻線インダクタと異なり、モールドインダクタの磁性粉末材料は、導体を囲むワイヤコイルの周囲のモールドに成形されています。通常は、粉末金属とバインダーを使用した成形コンパウンドによって、インダクタコアの透磁率が設定されます。粉末金属の充填物の飽和応答は、フェライトの充填物よりも穏やかです。また、磁気シールドの効果が高いため、漏れ磁束が少なくなります。モールドインダクタは過酷な環境に適したソリッドコンポーネントで、湿気、ほこり、衝撃、振動から保護します。モールドインダクタには積層コアがないため、音響ノイズが発生しません。また、シンプルなワンピース構造であるため、機械的安定性に優れ、小型かつ軽量です。

Abraconのミニモールドインダクタは、モールドインダクタのすべての利点を大きさ3mm未満の小型パッケージで提供します。ミニモールドインダクタは、小型であることに加えて、高い電力密度、低いコア損失および伝導損失、優れたEMIシールドといった特性を備えています。

AOTA-B1412およびAOTA-B2012シリーズのミニモールドインダクタは、インダクタンス範囲が0.11～2.2マイクロヘンリー（µH）であり、パッケージ寸法は1.4×1.2mm（0.055×0.047インチ）～2.0×1.2mm（0.079×0.047インチ）で、最大高さはわずか0.65 mm（0.026インチ）です。これらのインダクタは1.9～6.4Aの定格電流に対応し、-40℃～+125℃の温度範囲で動作します。

AOTA-B2012シリーズの一例は、定格電流5.6A、飽和電流10Aの0.11µH SMDミニモールドインダクタであるAbracon AOTA-B201208SR11MT（図2）です。この製品のDCRは13mΩ、SRFは185MHzです。2.0mm×1.2mm（0.079インチ×0.047インチ）のパッケージに実装され、設置時の高さは0.8mm（0.031インチ）です。

Abraconの標準的なミニモールドインダクタであるAOTA-B201208SR11MTの画像図2：AOTA-B201208SR11MTは、Abraconの標準的なミニモールドインダクタで、湿気、ほこり、衝撃、振動などの環境要因から保護する3mm未満のSMDパッケージに収納されています。（画像提供：Abracon）

Abracon AOTA-B2012シリーズのインダクタンスが高い製品としては、インダクタンス2.2µH、定格電流1.8A、DCRが130mΩ、SRFが42MHzのAOTA-B201208S2R2MTがあります。インダクタンスが高くなると、多数の巻線が必要になります。その結果、AOTA-B201208SR11MTに比べてDCRが増加し、定格電流とSRFが低下しています。パッケージ寸法はAOTA-B201208SR11MTと同じで2.00mm×1.20mm（0.079インチ×0.047インチ）、高さは0.8 mm（0.031インチ）です。

Abracon AOTA-B1412シリーズの例としては、AOTA-B141206SR33MTとAOTA-B141206SR47MTがあります。これらのミニモールドインダクタのパッケージは非常に小さく、寸法が1.4mm×1.2mm（0.055インチ×0.047インチ）、パッケージの高さはわずか0.65mm（0.026インチ）です。AOTA-B141206SR33MTのインダクタンスは0.33µH、定格電流は3.5A、DCRは32mΩ、SRFは120MHzです。AOTA-B141206SR47MTのインダクタンスは0.47µH、定格電流は2.9A、DCRは41mΩ、SRFは115MHzです。

ミニモールドインダクタのアプリケーション

Abraconのミニモールドインダクタは、サイズは小型ですが、優れたEMIシールドを提供すると同時に、低いコア損失と導電損失で大電力を処理します。このような特性によって、これらのインダクタは、フォームファクタが小型化し続けている電源コンバータに対するかつてない需要に応える理想的な選択肢となっています。

代表的なアプリケーションは、電源のデカップリング、フィルタリング、DC/DCコンバータなどです（図3）。

図3：Abraconのミニモールドインダクタの標準的なアプリケーションは、電源のデカップリング、フィルタリング、DC/DCコンバータなどです。（画像提供：Art Pini氏）