通过采用新铁氧体材料实现面向NFC电路的最佳特性

通过采用新铁氧体材料实现面向NFC电路的最佳特性

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。

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

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

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

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

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

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

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

　　审核编辑：汤梓红