ในปัจจุบันความต้องการด้านประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความหนาแน่นของ พลังงานที่สูงขึ้น รวมถึงประสิทธิภาพการจัดการเชิงความร้อนที่เหนือกว่าเป็นแรง ผลักดันให้เกิดการพัฒนาไม่หยุดยั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สมัยใหม่ที่เปลี่ยนแปลงวิธีการออกแบบดีไซน์ส่วนประกอบต่างๆ ของอุปกรณ์ อิเล็กทรอกนิกส์ให้แตกต่างจากอดีตอย่างสิ้นเชิง ส่วนของการเปลี่ยนแปลงด้าน พลังงานอย่างการใช้งานขั้นสูงเช่น CPU, GPU, ASIC และระบบยานยนต์ ตัวเหนี่ยวนำ (Wire Inductors) จัดเป็นปัญหาที่ติดขัดมาอย่างยาวนาน ตัวเหนี่ยวนำลวดกลมแบบดั้งเดิมกำลังประสบปัญหามากขึ้นเรื่อยๆ ในเรื่อง การตอบสนองความต้องการของแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำ กระแสไฟฟ้าสูง และความถี่สวิตชิ่งที่สูงตามลำดับ 

บทความนี้จะกล่าวถึงตัวเหนี่ยวนำลวดแบนในมุมมองของเทคโนโลยีใหม่ที่มาพลิกโฉมอุปกรณ์ด้านพลังงาน โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้าง ข้อดีในด้าน ความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรง (DCR: Direct Current Resistance) กระแสอิ่มตัว  ( Isat : Saturated Current)) การจัดการความร้อน และคุณลักษณะของ EMI ทำให้เราวิเคราะห์ได้ว่าการเปลี่ยนแปลงรูปทรงที่เป็นแกนหลักนี้ได้สร้างมาตรฐาน ใหม่ด้านประสิทธิภาพในการออกแบบกำลังไฟฟ้ากระแสสูงได้อย่างไร

แรงกดดันที่ระบบส่งกำลังไฟฟ้าสมัยใหม่มีต่อการวิวัฒนาการด้านอิเล็กทรอนิกส์

วิวัฒนาการของดิจิทัลเซมิคอนดักเตอร์เป็นไปตามกฎของมัวร์และกฎอื่นๆ ซึ่งสิ่งนี้สร้างความท้าทายควบคู่กันไปกับการจัดการพลังงาน โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ และวงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน (Application-Specific Integrated Circuits: ASIC)ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าหลักลดลงต่ำกว่า 1.0 โวลต์ ในขณะที่ดึงกระแสไฟฟ้า ที่เกิน 100 แอมป์ กระบวนการนี้แม้จะสูญเสียพลังงานแค่เล็กน้อยแต่ก็มีนัยยะสำคัญ

การสูญเสียพลังงานในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งเช่น ตัวแปลงบัค (buck converter) กำหนดโดย

Ploss = I2* RDS(ON) (สวิตช์) + (I2* DCR + Core Losses) (ตัวเหนี่ยวนำ) + การสูญเสียอื่นๆ

โดยที่ I คือ กระแสไฟฟ้า

        RDS(ON) คือ เมื่อความต้านทานเปิดในส่วนของ MOSFET 

        DCR คือ ความต้านทาน DC ของตัวเหนี่ยวนำ

เมื่อ I เพิ่มขึ้น เทอม I2 จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ทำให้ DCR ของตัวเหนี่ยวนำ สูญเสียการนำไฟฟ้า ก่อให้เกิดความร้อนและลดประสิทธิภาพ การกระตุ้นให้เกิดการ ตอบสนองชั่วขณะ (transient response) ตรงส่วนประกอบภายนอกขนาดเล็ก ให้รวดเร็วขึ้น  ความถี่ในการสลับจะถูกดันให้อยู่ในช่วง 500 kHz ถึง 2 MHz ขึ้นไป ส่งผลให้เกิดความสูญเสียจากการสลับและแกนแม่เหล็กเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ตัวเหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมที่สร้างขึ้นด้วยลวดแม่เหล็กกลมพันรอบแกนเฟอร์ไรต์หรือแกนเหล็กผงนั้นไม่เหมาะกับยุคสมัยใหม่ รูปทรงของมันจำกัดความสามารถใน การลด DCR และการจัดการความร้อน จึงนำไปสู่ช่องว่างด้านประสิทธิภาพที่ต้องเร่ง การพัฒนาและการนำเทคโนโลยีตัวเหนี่ยวนำแบบลวดแบนมาใช้แทน

การวิพากษ์วิจารณ์ตัวเหนี่ยวนำลวดกลมแบบดั้งเดิม

การที่เราจะเข้าใจข้อดีของลวดแบนได้ต้องเข้าใจข้อจำกัดของตัวเหนี่ยวนำ ลวดกลมก่อน

โครงสร้าง 

ตัวเหนี่ยวนำลวดกลมสร้างขึ้นจากการพันลวดทองแดงทรงกระบอกรอบแกน แม่เหล็ก วัสดุแกนอาจใช้เฟอร์ไรต์เพื่อลดการสูญเสียของแกนที่มีความถี่สูง หรือ ผงเหล็กเพื่อลดความหนาแน่นฟลักซ์ที่อิ่มตัวสูง

"Proximity Effect" และความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่ความถี่สูง 

การกระจายกระแสในตัวนำจะไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากผลกระทบจาก แม่เหล็กไฟฟ้าในลวดกลม " Proximity Effect" นี้จะบังคับให้กระแสไหลในวงแหวน ใกล้กับพื้นผิวของตัวนำเป็นหลัก ทำให้กระแสในขดลวดที่อยู่ติดกันส่งผล กระทบซึ่งกันและกัน ส่งผลให้การสูญเสียไฟฟ้ากระแสสลับด้วย (RAC) เพิ่มมากขึ้น ทำให้ขดลวดกลมมีประสิทธิภาพต่ำที่ห้วงความถี่สวิตชิ่งสมัยใหม่

ปัจจัยการอัดตัวต่ำ 

ขดลวดกลมไม่สามารถอัดตัวในปริมาตรที่กำหนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่องว่างอากาศในการพันระหว่างขดลวดกลมส่งผลให้อัตราส่วนทองแดงต่อปริมาตรลดลง สิ่งนี้จำกัดปริมาณของวัสดุนำไฟฟ้าที่สามารถวางภายในพื้นที่ที่จำกัด 

ความท้าทายด้านความร้อน 

การอัดตัวที่ไม่สม่ำเสมอและค่า RAC สูงทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะจุด ความร้อนส่วนใหญ่จะถูกกระจายผ่านพื้นที่ผิวของส่วนประกอบอื่นๆ และพื้นผิว ที่คดเคี้ยวของขดลวดกลมไม่เหมาะกับการถ่ายเทความร้อนไปยังแผงวงจรพิมพ์หรือสภาพแวดล้อมโดยรอบ

ตัวเหนี่ยวนำลวดแบน: การปฏิวัติลักษณะทางโครงสร้าง

ตัวเหนี่ยวนำลวดแบนช่วยแก้ไขข้อบกพร่องทางรูปทรงเรขาคณิตพื้นฐานของ ลวดกลมแทนที่การใช้ตัวนำทรงกระบอก โดยการใช้แผ่นทองแดงแบบแบน หรือ แบบสี่เหลี่ยมที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้า

โครงสร้าง 

ลวดทองแดงแบบแบนจะพันรอบแกน (ตรงขอบบางจะสัมผัสกับแกนกลาง) หรือพันรอบแกนกลางแบบระนาบ (เป็นลายเกลียว) พันรอบแกนกลางที่ออกแบบ มาเป็นพิเศษ แกนกลางมักเป็นวัสดุผสมเช่น ผงโลหะผสม ซึ่งมีช่องว่างอากาศ แบบกระจาย ช่องว่างอากาศแบบกระจายนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากช่วย ป้องกันการอิ่มตัวอย่างฉับพลัน ทำให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถรับมือกับกระแสไบอัส DC ขนาดใหญ่ได้โดยไม่ทำให้ค่าความเหนี่ยวนำลดลงอย่างมีนัยยะสำคัญ การเปลี่ยน จากหน้าตัดแบบกลมเป็นหน้าตัดแบบสี่เหลี่ยมอย่างง่ายจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานได้อย่างมากมาย

ข้อดีหลักของตัวเหนี่ยวนำแบบลวดแบน

1. ลดความต้านทาน DC (DCR) อย่างมาก

2. ประสิทธิภาพความถี่สูงเหนือกว่าและสูญเสีย AC ลดลง

• Skin Effect Management วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าความหนาทั้งหมดของตัวนำจะถูกใช้ไปลด RAC ให้เหลือน้อยที่สุด
• Proximity Effect Mitigation วิธีนี้ช่วยลดการสูญเสียกระแสวนที่เกิดขึ้นในตัวนำข้างเคียงส่งผลให้การ สูญเสียที่เกิดจากผลกระทบจาก Proximity Effect น้อยลง

3. ประสิทธิภาพความร้อนที่เพิ่มขึ้น

• การสูญเสีย loss ที่ลดลง
• การกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

4. กระแสอิ่มตัวที่สูงขึ้น (Isat)

5. ปรับปรุงความแข็งแกร่งเชิงกลและลดเสียงรบกวน

ข้อดี-เสียและข้อควรพิจารณา

ไม่มีส่วนประกอบใดสมบูรณ์แบบ และตัวเหนี่ยวนำแบบลวดแบนก็มีข้อควร พิจารณาเฉพาะที่นักออกแบบต้องพิจารณา

ช่วงความเหนี่ยวนำที่จำกัด 

กระบวนการผลิตในการพันลวดแบนไม่ยืดหยุ่นเท่ากับลวดกลม ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว ลวดแบนจึงมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่า (ตั้งแต่ต่ำกว่า 100 nH ไปจนถึงประมาณ 1-2 µH) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับตัวแปลงบัคกระแสสูง และความถี่สูง แต่ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีค่าความเหนี่ยวนำสูงกว่าเช่น power line filtering

ต้นทุน 

กระบวนการผลิตการขึ้นรูปและพันแผ่นทองแดงแบบลวดแบน โดยทั่วไป ซับซ้อนมากกว่าลวดกลม วัสดุแกนพิเศษก็เพิ่มต้นทุนเช่นกัน ดังนั้น ตัวเหนี่ยวนำลวดแบนจึงมีราคาสูงกว่า  ซึ่งต้นทุนนี้สมเหตุสมผลแล้ว เมื่อพิจารณาจากข้อดีของระบบที่ประสิทธิภาพสูงขึ้นทำให้ฮีตซิงก์เล็กลง และประสิทธิภาพที่สูง สิ่งที่กล่าวข้างต้นนี้อาจเป็นปัจจัยสำคัญในการสร้าง ความแตกต่างให้ผลิตภัณฑ์

ลักษณะ EMI 

แม้โครงสร้างที่บรรจุอยู่ภายในลวดจะลด EMI ที่แผ่ออกมาได้ แต่ขดลวด ขนาดใหญ่แบบระนาบในขดลวดอาจทำหน้าที่เป็นเสาอากาศไม่ได้ หากไม่ได้ รับการป้องกันอย่างเหมาะสมจากแกนกลางและบรรจุภัณฑ์ ตัวเหนี่ยวนำสาย แบนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่มีการป้องกันอย่างสมบูรณ์ ทำให้ปัญหานี้ไม่เป็น ปัญหาใหญ่ แต่เป็นปัจจัยหนึ่งสำหรับการใช้งานที่มีความไวสูง (ultra-sensitive)