直流到直流電壓轉(zhuǎn)換器（“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”）的普及 - 由于其在寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)的高效率 - 芯片制造商已經(jīng)將大量研究資金集中在將設(shè)備的基本組件壓縮到模塊中。這些模塊通常包括脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器和開(kāi)關(guān)元件，采用緊湊的封裝，簡(jiǎn)化了工程師的設(shè)計(jì)工作。

然而，直到最近，事實(shí)證明很難將能量存儲(chǔ)設(shè)備（電感器）包含在封裝內(nèi)。這就要求工程師必須在電感器中指定，提供和設(shè)計(jì)外圍元件，增加復(fù)雜性并消耗電路板空間。現(xiàn)在，新一代高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)能夠使用更小的電感器，使器件能夠安裝在元件供應(yīng)商的封裝內(nèi)。

本文簡(jiǎn)要介紹了電感器在開(kāi)關(guān)中的作用 - 在繼續(xù)描述選擇具有集成電感器的功率模塊的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和權(quán)衡之前，調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的剖析

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用開(kāi)關(guān)元件（通常是一個(gè)或兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET））和一個(gè)儲(chǔ)能裝置（電感器有效地將輸入電壓調(diào)節(jié)到較低（“降壓”）或更高（“升壓”）輸出電壓。

電感器在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中起著重要作用。在降壓調(diào)節(jié)器中，當(dāng)晶體管通電時(shí)，電感器中的磁場(chǎng)積聚，存儲(chǔ)能量。電感器兩端的電壓降（與晶體管的占空比成比例）與輸入電壓的一部分相反（或“嗡嗡”）。當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電感器通過(guò)翻轉(zhuǎn)其電動(dòng)勢(shì)（EMF）來(lái)對(duì)抗變化，并通過(guò)二極管向負(fù)載本身提供電流。

在升壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)晶體管為時(shí)，電流從輸入流出。切換到。它通過(guò)電感和晶體管，能量存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)中。通過(guò)二極管沒(méi)有電流，負(fù)載電流由電容器中的電荷提供。然后，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電感器通過(guò)反轉(zhuǎn)其EMF來(lái)抵抗任何電流下降，提升源電壓，電流，由于這個(gè)升高的電壓，從源通過(guò)電感器和二極管流到負(fù)載，以及給電容充電（圖1）。

圖1：晶體管（SW）關(guān)斷時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器中的電流。

在穩(wěn)態(tài)條件下的降壓轉(zhuǎn)換器中，電感（IL）中的平均電流等于輸出電流IOUT。由于電壓輸入是方波，電感器電流不是恒定的，而是隨著輸入電壓的接通和斷開(kāi)而在最大值和最小值之間波動(dòng)。最大值和最小值之間的差值（ΔIL）稱(chēng)為峰峰值電感電流紋波（圖2）。

圖2：輸入電壓切換會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器電感中的電流產(chǎn)生紋波。

反過(guò)來(lái)，電流紋波與輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）相結(jié)合，會(huì)使輸出電壓在設(shè)定電壓附近波動(dòng)（參見(jiàn)TechZone文章“電容器選擇是良好電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵”）。

電感器的選擇部分取決于電感器電流所需的峰峰值和開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于給定的工作頻率，較大的電感會(huì)降低峰峰值電流（因?yàn)閷?duì)于這樣的繞組，電流上升和下降較淺）。但是，對(duì)于相等的峰峰值紋波電流，電感值與開(kāi)關(guān)頻率成反比。通過(guò)增加開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率，可以使用具有更少環(huán)路和/或更薄線圈的電感器以及更小的磁芯，從而降低電感器的體積，因?yàn)橥ㄟ^(guò)以高頻率工作電感器不具有在切換事件 [1] 之間存儲(chǔ)盡可能多的能量（另請(qǐng)參閱TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。

內(nèi)部的微小電感

主要半導(dǎo)體供應(yīng)商提供更廣泛的電源模塊，將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的大部分組件集成到一個(gè)方便緊湊的封裝中。通常，這些模塊將PWM控制器和開(kāi)關(guān)元件集成到硅器件中，使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)檩斎牒洼敵?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器選擇無(wú)源元件以匹配其應(yīng)用。然而，這些芯片并未包含電感器，因?yàn)槠駷橹?，已?jīng)證明不可能縮小線圈使其成為硅特征。

例如，Intersil的ISL85415降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成了兩個(gè)MOSFET和PWM控制器在單個(gè)芯片上但需要外部電感。該電源模塊在3-36 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，在高達(dá)500 mA的電流下提供0.6-34 V電壓。開(kāi)關(guān)頻率可在300 kHz至2 MHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

將電感器從電源模塊中排除，使設(shè)計(jì)人員面臨挑戰(zhàn)，即為其電源指定合適的器件。 （例如，上述Intersil器件在典型應(yīng)用電路中采用22μH外部電感。）雖然有大量供應(yīng)商應(yīng)用指出建議如何進(jìn)行該過(guò)程和各種合適的電感器，但這不是瑣碎的任務(wù)。例如，指定一個(gè)看起來(lái)非常適合該工作的器件可能非常容易，但實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)入不連續(xù)的工作模式，從而影響性能（參見(jiàn)TechZone文章“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器連續(xù)和不連續(xù)模式之間的差異”以及它為什么重要“）。即使選擇合適的元件，工程師也面臨著可能冗長(zhǎng)的環(huán)路補(bǔ)償過(guò)程，以確保開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在其工作帶寬內(nèi)保持穩(wěn)定。

研究人員正在研究如何在IC中添加電感器，但事實(shí)證明這很困難，因?yàn)榧词乖诟哳l率下，也需要相對(duì)較大的硅片面來(lái)適應(yīng)金屬走線之間的長(zhǎng)度，匝數(shù)，厚度和間距需要達(dá)到足夠的電感水平。這個(gè)問(wèn)題變得更加困難，因?yàn)橹圃祀姼兴璧拇竺娣e硅會(huì)因線圈和基板之間的寄生效應(yīng)而產(chǎn)生不必要的電感。

加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們支持這一解決方案，采用絕緣納米復(fù)合磁性材料，可將給定器件的電感提升高達(dá)80％。或者，使用這些高電感材料可使給定電感的線圈急劇縮小。高電感材料還將工作頻率從千兆赫范圍提高到數(shù)十千兆赫范圍 - 鼓勵(lì)更大的收縮。

盡管取得了這些進(jìn)步，片上電感器的商業(yè)化還需要幾年時(shí)間。盡管如此，設(shè)計(jì)人員確實(shí)有一個(gè)臨時(shí)選項(xiàng)：將IC和電感器組合在一起的封裝。這種封裝比傳統(tǒng)的功率模塊更大，但占用的電路板空間小于電源模塊和分立電感器。此外，由于供應(yīng)商已經(jīng)完成了這項(xiàng)工作，設(shè)計(jì)人員不會(huì)面臨選擇和設(shè)計(jì)合適電感的麻煩。

Altera的Enpirion PowerSoC DC-DC轉(zhuǎn)換器系列是電源模塊的一個(gè)很好的例子它包含一個(gè)電感器。例如，EN23F2QI降壓穩(wěn)壓器將MOSFET開(kāi)關(guān)，小信號(hào)控制電路，補(bǔ)償和電感器集成到12 x 13 x 3 mm QFN封裝中（圖3）。

圖3：Enpirion PowerSoC將一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（包括電感器）整合到一個(gè)封裝中。

PowerSoC代表了一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，除了需要外部電阻和電容器用于輸入和輸出過(guò)濾。該器件工作頻率為1 MHz，以減小電感的大小，并可在4.5-13.2 V輸入電壓下提供高達(dá)15 A的0.75-3.3 V. EN23F2Q1在3.3 V和6 A的輸出電流下工作效率約為90％。圖4顯示了穩(wěn)壓器的原理圖。

圖4：Enpirion PowerSoC原理圖。

德州儀器（TI）還提供集成電源解決方案TPS84A20。該產(chǎn)品將功率MOSFET，電感器和無(wú)源器件組合在一個(gè)薄型QFN封裝中，以創(chuàng)建一個(gè)10 A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。 TI解釋說(shuō)，該解決方案消除了電感選擇和環(huán)路補(bǔ)償過(guò)程。

聲稱(chēng)10 x 10 x 4.3 mm QFN封裝的效率超過(guò)95％。該器件采用2.95-17 V輸入電壓工作，在最高10 A時(shí)提供0.6-5.5 V電壓。

了解折衷方案

雖然包含電感的電源模塊是一個(gè)空間設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該為不可避免的權(quán)衡做好準(zhǔn)備。

一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)是效率損失。為了縮小電感器以將器件裝入封裝中，器件必須以更高的頻率工作。更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更大的功率損耗，需要更多的電路板空間或散熱器來(lái)消散多余的熱量和/或有限的功率輸出。由于每單位時(shí)間的大量恒定能量切換事件，開(kāi)關(guān)損耗隨著頻率的增加而增加。對(duì)于類(lèi)似的器件，頻率每增加100 kHz，效率成本約為1％（盡管一些最新的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)在制造過(guò)程中采用最新的工藝技術(shù)降低了這種效率成本）。

集成電感器的另一個(gè)缺點(diǎn)是這些微型電感器不使用實(shí)心磁芯（后來(lái)被描述為“空芯”，圖5）。核心類(lèi)型對(duì)給定電感器能夠存儲(chǔ)多少能量具有顯著影響，因?yàn)樗请姼衅骷胁艌?chǎng)的介質(zhì) - 由繞組兩端的電壓產(chǎn)生 - 存儲(chǔ)能量。

圖5：空心電感器在高頻率下比鐵芯設(shè)備更有效。 （由Wurth Electronics提供）

磁芯的數(shù)量，體積和類(lèi)型的組合設(shè)定了磁場(chǎng)強(qiáng)度的上限，因此存儲(chǔ)了能量。例如，具有低“磁阻”（類(lèi)似于電路電阻）的磁芯可以支持相對(duì)高密度的磁場(chǎng)，而具有高磁阻的相同尺寸的磁芯只能支持較低密度的磁場(chǎng)。

固體鐵芯具有低磁阻，因此能夠存儲(chǔ)合理的能量但由于它們快速“飽和”而達(dá)到上限。粉末狀鐵芯也具有低磁阻并且比固體鐵芯容易飽和，但是更昂貴。此外，兩種類(lèi)型鐵芯的電感隨工作頻率的變化而變化，隨著頻率的增加，損耗也隨之增加。

空芯電感的電感不隨頻率變化而且比黑色芯更有效。設(shè)備，特別是在高頻率下。這些裝置也產(chǎn)生較少的失真，但空氣僅支持低密度磁場(chǎng)，因此與具有給定數(shù)量繞組和尺寸的裝置的鐵芯相比，能量存儲(chǔ)較差。這種弱點(diǎn)在某種程度上通過(guò)以更高的頻率運(yùn)行來(lái)解決。

也許與集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中使用的空芯電感器的最大折衷是電磁干擾（EMI）成為一個(gè)問(wèn)題因?yàn)榇判静痪哂需F芯的閉合磁場(chǎng)，因此允許雜散輻射逸出。由于高頻操作，EMI挑戰(zhàn)進(jìn)一步增加。一些制造商試圖通過(guò)裝配屏蔽來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題，但這會(huì)增加設(shè)備的成本并增加其尺寸 [2] 。

帶集成電感的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的最終折衷是電感的選擇受到限制，限制了設(shè)計(jì)人員優(yōu)化穩(wěn)壓器以適應(yīng)最終產(chǎn)品的工作參數(shù)的范圍。

先鋒設(shè)計(jì)

電感在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作中起著關(guān)鍵作用，但其物理尺寸通常無(wú)法與主流芯片集成到模塊化格式的其他完整電源解決方案中供應(yīng)商。這種電感器集成的缺乏使得開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，特別是與線性穩(wěn)壓器相比時(shí)。

然而，更高頻率的操作和巧妙的設(shè)計(jì)使一些先驅(qū)的供應(yīng)商能夠縮小電感器的尺寸可以與電源模塊的其余部分集成到一個(gè)相當(dāng)緊湊的封裝中。通過(guò)使用這些封裝，設(shè)計(jì)工程師能夠在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品電源時(shí)消除電感選擇過(guò)程和相關(guān)環(huán)路補(bǔ)償。然而，將電感器容納在封裝中確實(shí)會(huì)帶來(lái)一些折衷，包括降低效率，選擇有限以及更大的EMI挑戰(zhàn)。