通过采用新铁氧体材料实现面向NFC电路的最佳特性
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以智能手机为代表的移动设备中,支持NFC(近距离无线通讯)的产品不断增加。
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预计将在世界范围内快速普及的NFC搭载设备

依靠自十几年前研究至今的功能,近几年NFC在世界范围内得到了快速普及。在日本国内,手机钱包、电子货币以及车站检票口支付等非接触式IC卡的普及已达到了很高的水平,这也是NFC功能的一部分。今后,预计在世界范围内,运用NFC功能的各种用途将会得到进一步的扩大,NFC搭载设备也将进一步增加。

图1所示为NFC代表性电路的概略图。其结构为,在天线与控制IC之间插入由线圈及电容器构成的LC滤波电路。

由于其对阻抗匹配也会产生影响,因此需要线圈电感与电容器静电容量之间的偏差较小,同时线圈中要求窄公差(电感值±5%以内)以及在进行回流炉、电流通电时也能保持稳定特性。同时,还要求在通信频带为13.56MHz时保持较低的损耗(损失),因此也需要High-Q。为此,TDK全新开发了能够匹配这些要求特性的积层铁氧体线圈MLJ1608系列。

MLJ1608系列是能够满足NFC电路所要求特性,实现最佳设计的线圈。同时,在70MHz左右以下可保持High-Q,因此能够在信号线中发挥低损失效果,并可大幅改善直流重叠特性,因此也可用于电源线对策中。以下针对大幅超越现有商品的MLJ1608系列的优异特性进行介绍。

图1 NFC的概略电路图

图1 NFC的概略电路图

通过新开发的低损耗铁氧体材料实现低损失特性

在通信时,NFC电路中会流过交流信号,但铁氧体线圈中流过交流信号时会发生涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗等磁芯损耗(磁芯损失)。一般情况下,铁氧体材料特性以B-H曲线予以表示,交流电流振幅范围中将会发生称为小磁滞回线的小型B-H曲线。该小磁滞回线的大小将关系到磁芯损失。如图2所示,现有铁氧体材料中,剩余磁通密度较大,因此小磁滞回线也较大。而新开发的铁氧体材料中,剩余磁通密度较小,因此小磁滞回线亦较小。MLJ系列通过使用该低损耗铁氧体材料,大幅减少磁芯损失,实现优于现有MLF系列及绕组线圈产品的低损失特性(图3)。低损失特性将帮助提高通信特性,降低耗电量。

图2 现有铁氧体材料与低损耗铁氧体材料的B-H曲线的比较(模型图)

图2 现有铁氧体材料与低损耗铁氧体材料的B-H曲线的比较(模型图)

图3 现有产品与MLJ1608系列的功率损失比较

图3 现有产品与MLJ1608系列的功率损失比较

流重叠特性也得到大幅改善

以往NFC用控制IC以通信时仅需要少量电流的IC为主,因此在线圈中,现有的MLF1608系列则作为参考线圈使用。然而,近年来,同时具备无线LAN及Bluetooth功能、在通信时需要大电流的IC也不断增加,因此MLF1608系列的额定电流渐渐无法得以满足。

MLJ系列中使用了全新开发的可支持低损耗大电流的铁氧体材料。该铁氧体材料与以往MLF系列中使用的材料保持了同等性能,同时将直流重叠特性改善了2倍以上。通过该特性改善,MLJ1608系列实现了超越大一个尺寸的MLF2012形状产品的额定电流。

因此,在NFC电流中,通信时的交流电流约为100mA~300mA左右,而该电流范围中表现出了与绕组型线圈相同的性能(图4)。

图4 现有产品与MLJ1608系列的直流重叠特性比较

图4 现有产品与MLJ1608系列的直流重叠特性比较

Q特性中电流通电时的值十分重要

由于NFC在13.56MHz的频率下进行通信,因此在该频带中宜使用High-Q的线圈。一般情况下,Q特性如商品目录记载所示,在额定电流内使用不会发生问题。然而,由于NFC电路中最大会流过300mA左右的电流,则使用普通信号系积层铁氧体线圈时将会使Q特性降低。因此,在NFC电路中,电流通电状态下的Q特性十分重要。如图5所示,MLJ系列即使在电流通电状态下,Q特性的降低曲线仍然十分缓慢,在流过NFC电流的电流带中,可确保超过绕组线圈产品的特性。

图5 现有产品与MLJ系列中电流通电状态下的Q特性比较

图5 现有产品与MLJ系列中电流通电状态下的Q特性比较

通过扩大产品阵容,满足节省空间和增大电流的要求

MLJ系列为了满足各种阻抗匹配的需求,在扩大电感器产品阵容的同时,也新增了1005形状的产品,以支持高密度封装。
同时,为进一步提高NFC用控制IC的性能,我们的产品阵容中新增了MLJ1005H系列,该系列使用超低损耗铁氧体材料将磁芯消耗降至极限程度。在300mA以上的电流范围内,与以往的MLJ1005系列相比具有更好的Q特性,超越了卷线线圈产品。

图6 已有产品与MLJ1005系列在电流通电状态下的Q特性对比

图6 已有产品与MLJ1005系列在电流通电状态下的Q特性对比

为提高接收灵敏度,改进交流电阻性能

为防止天线输出功率下降,如何在13.56MHz通信频率下控制电感器损耗变得尤为重要。
为此,需要将交流电阻(Rac)控制得很小,并在电流流动时仍然保持小Rac。
TDK在MLJ-W系列中实现了小Rac,并在新产品MLJ-H系列中实现了施加大电流时的小Rac。
如图7所示,在大电流范围,可以看到MLJ1005H的Rac被控制得很小。

图7 已有产品与MLJ1005系列在电流通电状态下的Rac特性对比

图7 已有产品与MLJ1005系列在电流通电状态下的Rac特性对比

通过磁屏蔽结构实现搭载位置的自由设计

近年来,智能手机等电子设备的高功能化以及电子元件封装密度不断提高,而元件搭载位置的自由度随之降低。同时,易泄漏磁通一类的线圈会因元件搭载位置而发生磁耦合,从而可能发生特性变动。

MLJ系列采用了与现有MLF系列相同的磁屏蔽结构,从而实现了高密度封装,无需在意元件的搭载位置。

图8 积层线圈与绕组线圈的漏磁通比较

图8 积层线圈与绕组线圈的漏磁通比较

通信特性的比较结果

MLJ系列不仅拥有作为线圈的各项优异特性,同时在用于NFC的情况下也表现出了极为良好的通信特性。在NFC论坛(制定NFC技术规格及测试规格的行业团体)的测试中,针对3轴方向,以5mm间隔距离设置有测定点(图9中绿色的点)。图8中表示Z=5mm的横向、纵向电压比较,以及虽然偏出了NFC论坛的测定范围,但也是比较了标准标志上10mm以内电压(参考值)的结果。

3.14V的线是在该测试中的要求电压,电压越高,则NFC的通信特性更为良好。MLJ系列此时也能确保超越绕组线圈的电压。

因此,MLJ系列是一款适合用于拥有超过绕组线圈特性的NFC电路,且实现了最佳设计的产品。

图9 NFC论坛的通信特性评估方法概要

图9 NFC论坛的通信特性评估方法概要

图10 通信特性比较

图10 通信特性比较

结语

MLJ系列的重点在于全新开发的低损耗铁氧体材料。TDK拥有可实现不输于绕组线圈特性的材料开发技术。开发用于MLJ系列的铁氧体材料是一款极具划时代意义的材料。今后将为市场提供更多使用了同样优秀的铁氧体材料的新产品。

主要特点、用途、规格、电气特性

主要特点

  • 通过全新开发的铁氧体材料支持大电流
  • 通过高精度积层支持窄公差
  • 通过采用低损耗材料大幅降低高频Loss

主要用途

  • 智能手机、PC等NFC电路、各类电子设备的电源线

主要规格

系列 MLF1608D
MLF1005V
MLJ1608W
MLJ1005W
MLJ1005H正在开发
类型 标准 大电流
低损失
超大电流
超低损失
尺寸 [mm] 1608 / 1005 1608 / 1005 1005
L公差 [%] +/- 5 +/- 5 +/- 5
L值 [uH] 0.10 – 0.82 (1608 size)
0.10 – 0.56 (1005 size)
0.10 – 0.56 (1608 size)
0.075 – 0.56 (1005 size)
0.056 - 0.20
电流 [mA] 70 – 200 (1608 size)
120 – 180 (1005 size)
400 – 800 (1608 size)
250 – 550 (1005 size)
480 - 950