2011 三月

高Q积层电感

保持高频电路不受干扰

TDK-EPC依靠其先进的高精密积层技术开发出微型高Q积层电感0402和0603系列。TDK新设计的MLG0402Q和MLG0603P系列可用于高频电路和手机模块。

手机设计得越来越小,然而功能也日益复杂,从而对所有元件的微型化和性能要求更高,当然也包括电感的性能要求。尤其对积层电感,不仅要求尺寸更小,还应达到高Q等级。TDK-EPC通过进一步提高低温共烧陶瓷(LTCC)多层基材的工艺技术已达到该要求。

现在,新设计的芯片内部电极的制造工艺对位置控制更为精确,进而生产出高Q值的0402和0603系列中的积层电感MLG0402Q和MLG0603P系列。积层电感采用铁氧体或其它材料制成的薄片,并在薄片上用金属漆(一般为银)印制出绕线图案而制成。将这些薄片排列成多层并创造出螺旋式内部电极结构。TDK开发的积层技术制成的线圈已无需再将电线绕在一个核心上,从而促进了产品的微型化和批量生产。


低损耗和高Q值是高频应用必不可少的条件

高频电路应用的积层电感采用的是介电陶瓷做成的薄片,而非铁氧体制成的薄片。原因是在几百MHz以上的频率范围内,铁氧体损耗率更大,难以达到高Q值(参见图表一)。线圈易通直流电,但对交流电的作用类似于电阻,被称之为感抗。交流电频率越高,感抗就越高。虽然线圈是导体,但是电线缠绕仍具有一定直流电阻(R)。直流电阻和频变电感(R/2ttfL)间的比率称为损耗系数,其倒数为Q值。“f”指通过线圈流动的电流的频率,所以Q值会根据频率不同而变化。简而言之,高Q值指高频电感使用时的低损耗和高适应性。由于手机的功能越来越多,这些功能的耗电也越来越高,因此,高频电路系统内的积层贴片电感必须达到低损耗和高Q值。

图表一:各种基材电感的Q值和频率响应
Q值因频率和基材不同而变化。铁氧体基材不可用于几百MHz以上的频率范围,应采用陶瓷介质。

克服分布电容的影响

手机高频电路系统的电感应具有高Q值和小尺寸。然而遗憾的是,如果将线圈变小达到更微小体积,则造成直流电阻的增加,导致低Q值。另外,更高的频率范围的内部电极和其它零件的分布寄生电容(未出现在电路图中的电容)对Q值的影响很大。线圈感抗(X)与线圈电感和频率成正比,采用方程式X=2πfL来定义。理想的电感是指电感值为常数时,感抗和频率成正比。因此,频率和电抗对比的绘制图应成一条直线,然而在实际中,更高频率位置电抗下降,而线圈的分布电容正是造成这一现象的原因。在积层电感中,绕线图案的作用类似电容电极,会产生分布电容(图表二)。同样,分布电容也存在于端子电极和绕线图氨之间。

图表二:TDK积层电感的电极间分布电容

事实上积层电感有分布电容,意味着在高频段形成相当一个LC并联电路。电容与电感不同,它阻止直流电,当频率越高时,电容作用则类似于交流电导体。类似于用于谐振电路的LC并联元件,具有分布电容的积层电感具有谐振频率,即自谐频率(SRF)。当频率超过自谐频率时,贴片电感的作用不再是电感, Q值也迅速下降至零。因此,选择积层电感用于高频电路和高频模块时,单单考虑所需的电感是不够的。自谐频率也必须比使用频率高出许多。另外,高频适用电感也必须考虑所谓的趋肤效应。它会显著增加电阻,导致电感下降。


新型MLG系列:突破性的内部电极设计

积层电感为用量相当大的电子元器件,必须密集排布在电路板上,因此需要变得更小,高度更低。薄膜工艺技术的线圈形成的薄膜贴片电感不仅十分小,也很薄,还可以维持高准确率,但是仍难以实现高Q值。


为了克服这种设计难题,关键就是需要采用高精密的制造技术来最小化分布电容和趋肤效应,同时又使内部电极达到优化设计,以实现微型尺寸。


TDK-EPC先进的LTCC工艺技术制作稳定的积层电感和十分精密的内部螺旋导体,并形成规模化生产。通过对内部导体的形状、层宽和布局的设计,不仅达到高Q值,还可不用担心分布电容的影响。


全部重新设计MLG0402G和MLG0603P系列的绕线图案和布局,才达到了此要求。TDK工程师成功地减小了端子电极间的分布电容,但是又保留了线圈表面面积,并且获得了优秀的Q值特征(图表三)。

图表三:TDK MLG0402Q和MLG0603P系列的Q值和频率特征对比图

绕线图案微小的偏移都会导致Q值下降。因此,为了防止此类现象,在开发MLG0402Q系列时,采用了高精度定位控制技术和其它先进的措施。通过进一步改进和完善技术,具有新设计的内部电极的MLG0603P系列已加入到TDK-EPC产品系列中。新系列产品具有高得多的Q值,尤其适用于800MHz或更高频率的设计中。新的MLG0402Q和MLG0603P系列设计用于手机高频电路系统,例如,表面声波(SAW)滤波器和压控振荡器(VCO)电路内的阻抗匹配及扼流圈。同时,积层电感可进一步应用于蓝牙、WLAN、UWB、数字电视调节器和其它高频电路和模块,并且提供优异性能。

TDK的MLG0402Q和MLG0603P系列积层电感主要技术参数

参数/ 类型MLG0402Q 系列MLG0603P 系列

电感 [nH]

1 15

0.6 120

工作温度范围 [°C]

−40 +85

−40 +85

直流电阻(最大值) [Ω]

0.4 2.6

0.06 5

额定电流 [mA]

100 250

80 1000

尺寸[mm³]

0.4 × 0.2 × 0.20.6 × 0.3 × 0.3

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