基于材料性能的抗电流干扰叠层电感研究

姚 翔, 周继军

(杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

纵观电子技术的发展进程,消除干扰对电子系统的影响一直热度很高。目前在电路系统中增加滤波设计是降低干扰影响的重要方式[1～4],但滤波结构本身往往也会受到外界的影响,这会使得滤波器件的性能参数发生偏移,对电子系统整体的稳定性产生影响,因此,提高滤波器件本身的抗干扰能力对于改善系统整体的性能有着积极的作用。如今应用范围较广的还是无源滤波领域中基于电感电容(LC)的多阶滤波器。因此，本文以电感作为研究对象,以材料性能随电流变化对电感所产生的影响为研究入手点,找出其中影响关系,从材料与结构方面降低电流对电感性能的影响。

1 掺杂对材料抗磁场干扰性能的影响

电感有绕线式与叠层片式[5],两种类型在低频段时都比较接近于理想型器件,但随着频率上升或者线圈中电流增大,电感量就会产生变化,其根本原因还是器件所使用的材料的性能受到外界因素的影响而产生了性能参数的变化,从而导致一些由材料性能参数直接决定的器件性能参数发生改变,使器件整体的功能实现发生偏移,对器件的整体稳定性产生影响。

有研究表明：掺杂会对铁氧体性能产生影响[6,7],适当的掺杂能够提高铁氧体材料稳定性[8,9]。不同掺杂下的材料,其材料磁导率在外加磁场至材料磁饱和之前的稳定性,进而分析出不同掺杂对材料抗磁场干扰能力的改善程度。以镍锌铁氧体作为实验掺杂对象,在实验室众多掺杂实验中选取4种较为典型的掺杂实验,使用的掺杂剂质量分数分别为2.4 %ZnSiO4,2.0 %CaCO3,1.5 %Nb2O5,1.5%Al2O5,由于篇幅有限,制备过程省略,4种材料只有掺杂不同,其余相同。制成统一尺寸圆环磁芯,外径12.7 mm,内径7.9 mm,高6.5 mm,绕线匝数与工艺相同,测试温度为25 ℃,电感值由电感电容电阻(LCR)仪器测得,计算分析得到4种材料磁导率与外部磁场强度关系,关系汇总如图1所示。

图1 材料磁导率与磁场强度关系汇总

从图1可以看出,当磁场强度H低于300 A/m时,4种材料的磁导率较为稳定；随着磁场强度增大,磁导率μ开始变化,总体表现为下降趋势,但每种材料开始下降的磁场强度不同,下降速度也不同，其中，ZnSiO4最先开始下降,且趋势最明显,CaCO3相对好一些,而Al2O3与Nb2O5的变化趋势类似且比另外两种材料表现好,其中Nb2O5出现下降趋势最晚,且下降较慢；材料磁导率与磁场强度之间的变化关系从根本上还是电感量与电流之间的关系,线圈电流变化导致磁场强度变化,进而影响磁导率稳定,改变电感量。

以上实验可以看出：线圈电流对材料磁导率确实存在影响,会使电感量发生变化；另外材料掺杂可以改善磁性材料的抗磁场干扰能力,且本次实验中,掺杂Nb5+的材料其磁导率稳定性表现最好,使用此种磁性材料制成的电感其抗电流干扰能力也会提高,可以以此为研究方向,继续改良掺杂剂与配方,提高材料磁导率稳定性。

2 叠层电感研制

叠层电感由铁氧体基板与导体层叠压而成,其中基板厚度、导体层厚度、导体长边短边、导体宽度以及匝数都对电感量有着直接的影响；采用上节中掺杂质量分数为1.5 %Nb2O5的NiCuZn铁氧体作为基体材料,从材料方面有效增强器件抗电流干扰能力；本节从结构设计方面降低线圈电流所产生的磁场对材料稳定性的影响,选取L型螺旋矩形结构作为电感导体的三维空间结构[10,11],在HFSS中对电感进行三维建模,暂定电感匝数为N=5.5,导体线宽0.2 mm,导体层厚度60 μm,铁氧体基板厚度0.2 mm,长边1.6 mm,短边1 mm。在HFSS中创建的电感三维模型如图2所示。

图2 L型螺旋电感三维模型

模型完成之后对各参数进行仿真优化,由于篇幅所限,过程无法详述,通过仿真优化,确定各参数为导体线宽0.3 mm、电感匝数为N=2.5、导体层厚度70 μm、铁氧体基板厚度0.2 mm,长边1.6 mm,短边1 mm,外部整体长边为2 mm,短边为1.2 mm,内部导体采用银浆,两端导体采用银浆、镍、锡；将设计方案与铁氧体材料送交工厂生产出来,然后对电感样品进行性能测试时发现,实际的电感值较仿真时所得到的数值偏小,分析可能是由于产品在烧结时,内部导体银浆发生渗透,使得电感导体发生轻微变化。对产品进行性能测试,可以得到电感量与电流之间的关系曲线如图3所示。

图3 电感量与电流关系曲线

3 结 论

本文主要从材料掺杂入手,旨在找到能够提升铁氧体材料抗磁场干扰能力的方向,最终得到添加Nb5+对提升铁氧体材料在磁场环境中的稳定性有着积极作用,而后以此种材料为基础进行叠层电感结构设计优化,从材料与结构两方面提高电感的抗电流干扰能力。由于篇幅有限,文中对于优化仿真等方面说明不够全面,另外对于材料掺杂以及结构优化设计方面还需进行更深一步的研究,继续改善有关的器件性能。