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功率电感的工作原理和市场发展

2021-01-08 11:09:11

因应全球智慧化节能潮流,无线通信及可携式行动装置产品被要求高效能及低功耗设计,因此电源模块内部负责储能转换及整流滤波之功率电感扮演重要节能元件角色。
目前铁氧磁体材料的性能已逐渐无法满足功率电感产品之微型化及大电流需求,必须改用高饱和磁束之金属磁芯,方能突破下世代微型/大电流产品的技术瓶颈,以开发高频、微型化、高封装密度及高效能之电源模块。
现阶段一体成型式金属电感技术日渐成熟,另一种发展方向则为高温共烧积层芯片型金属功率电感,相对于一体成型电感,此类电感具有易于小型化、优异饱和电流性质及低制程成本优势,已开始受到产业界的重视及投入研发,相信在不久的将来,金属功率电感将广泛应用于各类行动产品中,以满足智慧化节能的应用潮流。
功率电感技术原理
电源模块用功率电感的运作原理主要将电力以磁能型式储存于磁芯材料中。电感的应用形式很多,每一种情境所使用的磁芯材料种类及元件结构皆有相对应之设计。一般来说,铁氧磁体具高品质因子Q,但饱和磁束仅3,000~5,000高斯;磁性金属之饱和磁束达12,000~15,000高斯以上,比铁氧磁体高出2倍之多,以磁饱和电流理论来说,比起铁氧磁体,磁芯金属将更有助于产品之微型化及大电流设计。
功率电感特性介绍
当电流通过电源模块时,由于晶体管快速的切换,使得功率电感产生瞬变或突发尖峰负荷的电流波形变化,导致电感的特性更形复杂且难以规范。
电感由磁芯材料及线圈所组成,电感会与存在于各线圈间的杂散电容产生自然共振,形成一个并联共振电路,所以会产生一自谐振频率(Self-resonantFrequency;SRF),高于此频率时,此电感将呈现电容性,所以无法再有储能作用,因此功率电感的操作频率必须较低于自谐振频率才能发挥储能效果。
市场发展
未来行动通信将朝向4G/5G高速数据传输发展,高阶智慧型手机的电感用量及市场已开始呈现强劲成长力度,平均每支智慧手机需要60~90颗的电感,再加上其它如LTE或绘图芯片等模块,整支手机的电感用量更是可观。
目前电感的单价及利润相对于电容或电阻比较高,吸引不少厂商投入研发及生产。图三为工研院IEK针对全球电感产值及市场的评估报告,可见市场成长力度强劲。图四为各类行动装置如智慧型手机、LCD或NB等的电感用量规模分析,由于电感市场商机庞大,全球电感厂商开始积极开拓手持装置客户,竭尽心力投入研发新型功率电感产品,以开发高效能及低功耗的智慧化行动装置。
衍生应用
功率电感的衍生应用以车用、工业及消费性电子产品为主,每一应用场合相对应的功率电感种类及规格需求皆不相同,目前最大宗的应用市场以消费性产品为主。
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