インダクタ(コイル)

テックノート

漏れ磁束(漏洩磁束)を考慮したパワーインダクタの選定ガイド

パワーインダクタの漏れ磁束を低減する磁気シールド特性

電子機器の電源に使用される小型SMDコイルはパワーインダクタと呼ばれます。その製品の主流は、フェライトのドラムコアに銅線を巻いた巻線型と、金属一体成型タイプの金属コイルです。積層型とくらべて太い銅線を使うことができ、より大電流に対応できます。
磁性体のトロイダルコア(ドーナツ状コア)に巻線して電流を流すと、磁束はコア内部を還流します。このよう磁気回路を閉磁路といいます。棒状やドラム状のコアを用いた場合は、磁束はコア内部から外部に出て、漏れ磁束(リーケージ・フラックス)となり、再びコアに戻るループを描きます。これを開磁路といいます。
電子機器において、インダクタの漏れ磁束が他のコイルや配線パターンなどと磁気結合すると、インダクタンスが変化したり、ノイズの原因となったりします。とりわけ大電流が流れるパワーインダクタでは漏れ磁束も多くなるので、磁束をできるだけ外部に漏らさないような各種の磁気シールド構造が採用されています。
磁気シールドの面から、パワーインダクタは以下のようなタイプに分類されます。

表1 磁気シールドの面からみたパワーインダクタのタイプ
ノンシールドタイプ ドラムコアに巻線しただけで、磁気シールドをほどこさないタイプ。
レジンシールド(セミシールド)タイプ 巻線したドラムコアの周囲をフェライトや軟磁性金属などの磁性粉を混練したレジン(樹脂)でモールドしたタイプ。磁気シールド効果は限定的ですが、コストを低減できるメリットがあります。
フルシールドタイプ ドラムコアの周囲をフェライトのシールドコアで覆うことで閉磁路に近い構造としたタイプ。ただし、磁気シールドは完全ではなく、シールドコアとドラムコアとの接合部のエアギャップや端子部から漏れ磁束が発生します。シールドコアは、リング型、L型など、さまざまな形状があり、構造によって漏れ磁束の強さや分布のほか、コストも異なってきます。
金属一体成型タイプ ドラムコアを用いた巻線型はなく、空芯コイルをつくり、これをバインダ(結合材)と混ぜた軟磁性金属粉に埋設して一体成型したタイプです。エアギャップがないので、フルシールドタイプより漏れ磁束を低減できます。しかし、表面などから、わずかながら漏れ磁束が発生します。

図1 開磁路構造および閉磁路構造のパワーインダクタ

図1 開磁路構造および閉磁路構造のパワーインダクタ

近傍磁界解析によりパワーインダクタの漏れ磁束を3Dグラフィックス化

コストと性能、サイズなどとの兼ね合いで、どのタイプのパワーインダクタを選択するかは、設計者を悩ます問題です。TDKでは、近傍磁界測定システムを用いたパワーインダクタの漏れ磁束の測定と、その可視化により、お客様に最適なパワーインダクタをご選択いただけるようにお手伝いしています。

図2に、そのシステムの基本構成を示します。
DC-DCコンバータの評価ボードに実装したパワーインダクタを、微小ループアンテナを格納した磁界プローブがパワーインダクタ半分の高さで走査し、パワーインダクタ周辺の磁界強度を測定します。得られた時間波形のデータはスペクトラム・アナライザでスペクトラム波形に変換され、これを3Dグラフィックスにしてモニタに表示します。

図2 パワーインダクタ周辺の近傍磁界の測定・可視化システムの構成

図2 パワーインダクタ周辺の近傍磁界の測定・可視化システムの構成

漏れ磁束がきわめて少ない金属一体成型SPMシリーズ

TDKのパワーインダクタの代表的製品であるVLS-EXシリーズ、CLF-NIシリーズ、SPMシリーズの漏れ磁束を可視化した3Dグラフィックスを図3に示します。