淺談DC/DC轉(zhuǎn)換器中電感器對(duì)待機(jī)時(shí)間的影響

DC/DC是開(kāi)關(guān)電源芯片。開(kāi)關(guān)電源，指利用電容、電感的儲(chǔ)能的特性，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)(MOSFET等)進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容(感)里，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產(chǎn)品有兩種。一種為電荷泵(Charge Pump)，一種為電感儲(chǔ)能DC-DC轉(zhuǎn)換器。本文詳細(xì)講解了這兩種DC/DC產(chǎn)品的相關(guān)知識(shí)。

相比較前幾年2.8V~3.3V的核心電壓需求，近來(lái)越來(lái)越多的芯片可以在1.2V~1.8V的低壓下順暢運(yùn)行。這樣，在主要使用鋰(聚合物)電池或鎳氫電池作為系統(tǒng)工作能源的便攜式產(chǎn)品中，選擇合適的電壓轉(zhuǎn)換器成為設(shè)計(jì)者們需要考慮的因素。低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)由于工作電壓的降低，輸入電壓和輸出低電壓間的落差越來(lái)越大，線性穩(wěn)壓器在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生了很大了能量損耗，以致其效率甚至可能低至50%以下。更多的設(shè)計(jì)者開(kāi)始傾向于降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。

對(duì)于在DC/DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中電感選擇的考慮因素，通常情況下，尺寸、等效電阻和電流容量決定了電感的選取，也可以包括成本、交貨期和技術(shù)支持等設(shè)計(jì)外因素;并且通常認(rèn)為在相同條件下，為了降低電感器件的內(nèi)部損耗，選用更小的ESR(等效串聯(lián)阻抗)值的電感器為最佳。但實(shí)際情況需要更多考慮，本文試圖給出更佳的折衷考慮。

電感器能產(chǎn)生電感作用的元件統(tǒng)稱為電感原件，常常直接簡(jiǎn)稱為電感。它是利用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作的。作用：阻交流通直流，阻高頻通低頻(濾波)，也就是說(shuō)高頻信號(hào)通過(guò)電感線圈時(shí)會(huì)遇到很大的阻力，很難通過(guò)，而對(duì)低頻信號(hào)通過(guò)它時(shí)所呈現(xiàn)的阻力則比較小，即低頻信號(hào)可以較容易的通過(guò)它。電感線圈對(duì)直流電的電阻幾乎為零。電感是導(dǎo)線內(nèi)通過(guò)交流電流時(shí)，在導(dǎo)線的內(nèi)部周圍產(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。 當(dāng)電感中通過(guò)直流電流時(shí)，其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線，不隨時(shí)間而變化;可是當(dāng)在線圈中通過(guò)交流電流時(shí)，其周圍將呈現(xiàn)出隨時(shí)間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律-磁生電來(lái)分析，變化的磁力線在線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)新電源.當(dāng)形成閉合回路時(shí)，此感應(yīng)電勢(shì)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流。由楞次定律知道感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁力線總量要力圖阻止磁力線的變化的。

電感器的損失來(lái)自于其直流阻抗(Rdc)和交流阻抗(Rac)。直流阻抗是由線圈的線徑、線圈長(zhǎng)度所決定，交流阻抗則是鐵氧體磁芯和GAP部的漏磁束和銅線相互鎖交所產(chǎn)生的渦流電流損失。一般在DC/DC工作時(shí)，考慮流過(guò)電感器的電流，對(duì)直流電流損

失的部分用Rdc×Idc表示;對(duì)交流電流所損失的部分則用Rac×ΔI來(lái)表征。通過(guò)電感器的電流流量振幅ΔI很大、Idc很小的情形下，即使直流阻抗很小，但如果交流阻抗較大，它的效率就會(huì)下降;相反即使直流阻抗很大，交流阻抗如果很小，它的效率也有可能會(huì)上升。

電感輸出電流(Iout)較小的情況下，通過(guò)電感器的平均電流非常小，直流阻抗Rdc稍有不同時(shí)直流阻抗部分的損失都較小，但電流振幅(ΔI)不同就會(huì)影響著交流阻抗部分的損失功率。當(dāng)Iout大的時(shí)候，則通過(guò)電感器的平均電流較大，直流阻抗Rdc的不同會(huì)導(dǎo)致較大的損耗差異，相比之下交流阻抗的功率損失不是主要因素。

圖1是某GSM制式手機(jī)在待機(jī)情況下的耗流波形圖，正是Idc很小而電流流量振幅ΔI較大的情形?；谏鲜鼋Y(jié)論替換交流阻抗較小的電感后，平均待機(jī)電流由2.4465mA降低到了2.1337mA.平均待機(jī)電流減少了12.8%,這意味著可以將手機(jī)的待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)14.7%.那么對(duì)直流阻抗較小的電感而言，其價(jià)值如何體現(xiàn)?它適合于Idc很大而電流流量振幅ΔI較小的工作模式，這正是用戶在使用如通話、多媒體播放、游戲、GPS導(dǎo)航等功能時(shí)便攜式產(chǎn)品所處的工作環(huán)境，此時(shí)可以期待直流阻抗較小的電感會(huì)帶來(lái)更長(zhǎng)的使用時(shí)間。不過(guò)由于平均電流都比較大，一定程度的改善并不會(huì)對(duì)實(shí)際使用時(shí)間造成多少差別，反而我們相信更長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的誘惑可以讓設(shè)計(jì)者對(duì)使用時(shí)間做出犧牲。

用于3G的下一代數(shù)字處理器正在向90納米和65納米工藝技術(shù)演進(jìn)，這將使供電電源降低到接近1V,我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)的電源設(shè)計(jì)中將更多的見(jiàn)到DC/DC轉(zhuǎn)換器的身影。對(duì)待機(jī)時(shí)間和使用時(shí)間的平衡是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不斷面對(duì)的折衷考慮之一，而對(duì)待機(jī)時(shí)間的重要影響值得我們對(duì)電感器做出仔細(xì)挑選。