抑制高密度电源转换器邻近金属的涡流效应

作者：Min Gao，产品应用部高级工程师
Ling Jiang，产品应用部高级经理
YT Tang，产品应用部资深工程师
ADI公司

摘要

在开关电源中，磁元件发挥着不可或缺的作用，能够让电源在保持高效率和紧凑尺寸的同时，实现储能、电压转换、滤波及隔离等功能。在实际应用中，由于磁芯气隙和边缘效应，漏磁通可能会到达邻近金属，如散热器、衬底中的铜层和其他导体。这些邻近金属会因此产生涡流，从而造成额外的损耗和电感变化。本文使用有限元分析(FEA)研究邻近金属对涡流损耗和电感变化的影响。文章还介绍了多种降低此类影响的方法。

引言

电感是开关电源的关键元件，包括耦合电感和跨电感电压调节器(TLVR)。通常使用带有气隙的磁芯来防止磁芯饱和并增强储能能力。磁芯材料的磁导率远高于空气，因此大部分磁通会留在磁芯内，但气隙附近的边缘磁通会导致一些漏磁通进入周围空间。如果附近有金属，这种漏磁通会在其中感应出涡流，从而造成额外损耗并降低效率。效率降低源于额外的涡流损耗和电流纹波的增加。涡流会产生方向相反的磁场，导致电感实质性减小。

为了研究这一问题并探索潜在的解决方案，我们进行了有限元分析(FEA)仿真。图1a展示了一个带有气隙的磁元件，本文将以它为例来阐述相关理论。它包括一个单气隙铁氧体磁芯（灰色）和两个绕组（橙色）。相比之下，图1b在磁芯的上下方添加了两片200 μm厚的铜板（绿色），代表通常位于衬底中的铜层。


图1.仿真模型：(a)无铜层；(b)有铜层

涡流的产生及其导致的电感减小

在FEA仿真中，对其中一个绕组施加高频交流激励，而另一个绕组保持开路（无电流），以便分别观测涡流对自感、互感和漏感的影响。图2显示了磁芯上方空气区域的磁通密度（B场）分布。图2a展示的是邻近无铜层的情形，而图2b展示的是有铜层的情形。由于铜的高导电性，漏磁通被有效阻隔，难以向上方空气扩散，因此周围空气中的漏磁通显著降低。


图2.磁芯上方的磁通密度（B场）分布：(a)无铜层；(b)有铜层

对图2a中的磁通分布应用右手法则，可以确定上铜层中感应出了逆时针涡流，如图3所示。最强涡流出现在磁芯气隙上方（这里有更多磁通泄漏到周围空气中）和更靠近电流源的绕组上方。


图3.上铜层的涡流方向和密度

图4a显示了B场的观测截面（粉色）。图4b是B场绘图，表明漏磁通被铜板抑制。


图4.B场绘图：(a)观测截面；(b)结果

图5显示了磁芯中心的白色虚线（如图4b所示）沿线的磁通密度（B场）。由于只有一个绕组被激励，因此与受激绕组联结的磁芯部分（0 < 距离 < 3 mm）的B场代表与自感相关的总磁通量，而与未受激绕组联结的磁芯部分（3 mm < 距离 < 6 mm）的B场代表与互感相关的互磁通量。橙色曲线代表有铜板的情形，而蓝色曲线代表无铜板的情形。在有铜层的情况下，互磁通量几乎保持不变，但由于漏磁通量的减少，总磁通量显著下降。


图5.磁芯中的B场分布

为了研究铜层与磁芯之间的距离如何影响电感，将上铜层放置在绕组上方100 μm处，而下铜层位于绕组下方900 μm处。表1汇总了基于一个示例的仿真电感值，包括自感(L11)、互感(L12)、漏感(Lk1)和耦合系数(k)。

表1.仿真电感值

      Parameter  L11 (nH)  L12 (nH)  Lk1 (nH)  k
  参数  L11 (nH)  L12 (nH)  Lk1 (nH)  k
  Without copper  45.1  35.09  10.01  0.778
  无铜层  45.1  35.09  10.01  0.778
  With top copper  40.13  34  6.12  0.847
  有上铜层  40.13  34  6.12  0.847
  With bottom copper  43.02  35.36  7.66  0.822
  有下铜层  43.02  35.36  7.66  0.822
  With both coppers  37.11  34.41  2.7  0.922
  上下铜层均有  37.11  34.41  2.7  0.922


如表1所示，上铜层对漏感和自感的影响更大，原因是上铜层比下铜层更靠近磁芯和绕组。当上下铜层均存在时，自感降低了17.7%，漏感降低了73.0%。如果将这些减小的电感值用于占空比为0.15的四相TLVR降压转换器中，电流纹波可能会增加高达50%。

如图3所示，最强涡流出现在磁芯气隙和受激绕组上方。为了评估各因素对电感变化的影响，在铜板的特定位置开设凹槽，如图6所示。


图6.凹槽铜板：(a)靠近磁芯气隙；(b)靠近绕组

表2.磁芯气隙上方使用带凹槽铜板情况下的仿真电感值

       Parameter  With Entire  Copper  Grooved Copper  = 27% Core Width  Grooved Copper  = 67% Core Width
  参数  使用完整铜板  凹槽铜板 = 27%磁芯宽度  凹槽铜板 = 67%磁芯宽度
  L11 (nH)  37.11  38.57  40.27
  L11 (nH)  37.11  38.57  40.27
  L12 (nH)  34.41 (base)  35.84 (1.46 ↑)  37.52 (3.16 ↑)
  L12 (nH)  34.41（基准值）  35.84 (1.46 ↑)  37.52 (3.16 ↑)
  Lk1 (nH)  2.7  2.73  2.75
  Lk1 (nH)  2.7  2.73  2.75
  k  0.922  0.929  0.932
  k  0.922  0.929  0.932


图7展示了两种不同凹槽铜板配置的B场分布。在图7a中，两个磁芯部分之间的磁通联结显著改善，互磁通量得到增强，如表2所示。在图7b中，泄漏到绕组上方空气中的磁通明显增加，导致漏磁通量更高，如表3所示。由于整片铜板都有助于降低漏磁通，因此仅在绕组上方添加凹槽，改进效果较为有限。


图7.使用带凹槽铜板情况下磁芯上方的磁通密度（B场）分布：(a)靠近磁芯气隙；(b)靠近绕组

表3.绕组上方使用带凹槽铜板情况下的仿真电感值

       Parameter  With Entire  Copper  Grooved Copper  = 127% Winding Width  Grooved Copper  = 193% Winding Width
  参数  使用完整铜板  凹槽铜板 = 127%绕组宽度  凹槽铜板 = 193%绕组宽度
  L11 (nH)  37.11  38.51  39.54
  L11 (nH)  37.11  38.51  39.54
  L12 (nH)  34.41  34.42  34.51
  L12 (nH)  34.41  34.42  34.51
  Lk1 (nH)  2.70 (base)  4.09 (1.39 ↑)  5.03 (2.33 ↑)
  Lk1 (nH)  2.70（基准值）  4.09 (1.39 ↑)  5.03 (2.33 ↑)
  k  0.922  0.909  0.897
  k  0.922  0.909  0.897


抑制邻近金属中涡流效应的策略

缩短气隙长度

如前文所述，邻近金属中的涡流导致效率降低的主要原因有两个：其一是因电感降低而引起的较大电流纹波，其二是周围金属部件中的涡流造成的额外损耗。提升电感的第一种方法是减小磁芯气隙。减小磁芯气隙会降低磁阻，促使更多磁通量积聚，从而提高电感。此外，这种方法还会增强磁通在磁芯材料内部的集中程度，并减少进入周围空气的漏磁通，从而抑制邻近导电结构的涡流效应及相关损耗，如图8所示。表4以示例形式比较了两种不同磁芯气隙长度lg对应的电感值。当气隙从0.15 mm增加到0.25 mm时，总电感上升37.2%，互感增加40.1%。通过这种方法实现的涡流损耗降低情况总结在表5中。其不利之处在于电感饱和电流会降低。

表4.不同气隙长度下的仿真电感值

        Ig (mm)  L11 (nH)  L12 (nH)  Lk1 (nH)  k
  Ig (mm)  L11 (nH)  L12 (nH)  Lk1 (nH)  k
  0.15  50.92  48.21  2.71  0.947
  0.15  50.92  48.21  2.71  0.947
  0.25  37.11  34.41  2.7  0.927
  0.25  37.11  34.41  2.7  0.927



图8.上铜层中的涡流密度：(a) lg = 0.25 mm；(b) lg = 0.15 mm。

去除主导铜层

如果邻近导体由衬底中的多个铜层组成，则降低涡流损耗的一种方法是减少最靠近绕组和磁芯的子层的覆铜面积。铜子层离绕组越近，其承受的磁通量就越强，由此产生的感应涡流也就越高。例如，可去除上衬底的底部铜层，如图9所示。


图9.衬底中的多个铜层：(a)8层；(b)7层

图10显示了8个铜子层中的涡流密度。如图所示，子层8（底层）的涡流最强，而子层1（顶层）的涡流最弱。涡流方向同时受到绕组原始磁通和相邻铜子层中存在的涡流的影响。如果铜层较薄，它将无法完全屏蔽来自绕组的磁通，有一些磁通会穿过并在上方铜层中感应出涡流。然而，如果铜层离绕组足够远，或者如果相邻子层的厚度足以阻挡磁通，那么绕组磁通的影响将变得微不足道。在这种情况下，铜层中的涡流主要由相邻层中的电流驱动。例如，位于绕组正上方的子层8的覆铜区域中的涡流方向与绕组电流相反，而子层4中的涡流方向与绕组电流相同，如图11所示。


图10.铜子层中的涡流密度


图11.涡流方向：(a)子层8；(b)子层4


图12.涡流密度：8个铜子层与7个铜子层的比较

图12比较了有8个铜子层（橙色）与有7个铜子层（蓝色）的上衬底电流密度，测量沿图10所示黑色箭头进行。在去除子层8之后，由于无铜，该层中的涡流降至零，从而有助于降低涡流损耗，如表5所示。然而，子层7、6、5中的电流密度与有8个铜子层的情况相比明显提高。这是因为，在没有子层8阻挡绕组磁通的情况下，其余子层中仍然会感应出强涡流。因此，这种方法无助于提升电感。

提高开关频率

降低涡流影响的另一种方法是提高开关频率。这会降低电流纹波，并有助于减少涡流损耗(Peddy)，如表5所示。同时应用方法1、方法2和方法3时，转换器的峰值效率从87.4%提高到89%，满载效率从86.7%提高到87.2%。

表5.使用不同方法时金属中涡流损耗的比较

     Case  Peddy in Copper  (mW)
  情形  铜中的Peddy  (mW)
  Base case  467
  基准情形  467
  Method 1: Reduce core air gap by 40%  373.5 (20% ↓)
  方法1：磁芯气隙缩短40%  373.5 (20% ↓)
  Method 2: Remove bottom sublayer in top substrate  417 (11% ↓)
  方法2：去除上衬底中的底部子层  417 (11% ↓)
  Method 3: Increase switching frequency by 1.5 times  248 (47% ↓)
  方法3：开关频率提高1.5倍  248 (47% ↓)
  Method 1 + Method 2  197 (58% ↓)
  方法1 + 方法2  197 (58% ↓)
  Method 1 + Method 2 + Method 3  176 (58% ↓)
  方法1 + 方法2 +  方法3  176 (58% ↓)


顶部电感气隙对μModule控制器性能的影响

LTM4680是一款16 VIN、双通道30 A或单通道60 A降压型μModule稳压器，具有数字PMBus接口，采用紧凑型16 mm × 16 mm × 7.82 mm BGA封装。LTM4700具备更高的电流能力，能够提供双路50 A或单路100 A输出，采用15 mm × 22 mm × 7.87 mm BGA封装。这两款器件在多种应用中表现出色。为了在紧凑的尺寸内实现高效率，封装顶部集成了带气隙的铁氧体电感。

图13显示了LTM4700封装的3D模型。当散热器或额外的PCB紧贴模块上方布置时，由于之前所述的涡流效应，电感和整体效率可能会降低。为了减轻这些影响，可在散热器的金属平面上开设凹槽，如图14所示。如果多层PCB靠近LTM4700或LTM4680的顶部表面，去除主导铜层可以进一步降低涡流损耗。另外，也可考虑提高开关频率，不过这种方法可能导致开关损耗更高。


图13.LTM4700封装的3D模型


图14.建议的散热器，带有凹槽以抑制涡流效应

结语

本文研究了电源系统中磁元件因靠近导电材料引发涡流效应，进而导致系统效率下降的原因。这些感应电流不仅会造成额外损耗，还会降低有效电感，导致电流纹波和交流损耗增加。我们开展了FEA仿真来评估这种现象。本文提出了三种抑制策略以提高效率：缩短磁芯气隙、去除主导覆铜区域和提高开关频率。缩短磁芯气隙能够同时解决电感下降和涡流损耗的问题，不过其缺点是饱和电流会降低。另外两种方法主要聚焦于降低涡流相关的损耗。

本文适用于LTM4700和LTM4680的实施方案。在有涡流产生的实际应用中，可采用多种策略来减轻其影响。

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作者简介
Min Gao是产品应用部高级工程师。她于2025年获得佛罗里达州立大学塔拉哈西分校电气工程博士学位，随后加入ADI公司担任应用工程师，工作地点位于加利福尼亚州。

YT (Ye) Tang是产品应用部资深工程师，于2021年2月加入ADI公司。她现任μModule团队的设计工程师和应用工程师，从事面向数据中心、光学及其他众多市场应用的高输出电流负载点转换器的研发工作。她致力于利用先进的FET和耦合电感来缩小POL开关电源的尺寸并提高密度。

Ling Jiang是产品应用部高级经理。她于2018年毕业于田纳西大学诺克斯维尔分校，获电气工程博士学位。毕业后，她加入了ADI公司电源产品部，工作地点位于美国加利福尼亚湾区。她目前担任高级经理，负责支持μModule产品在多市场领域的应用，并参与高密度μModule稳压器的定义与设计工作。