DC/DC轉換器中電感器對待機時間的影響評測

DC/DC是開關電源芯片。開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。開關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），一種為電感儲能DC-DC轉換器。本文詳細講解了這兩種DC/DC產(chǎn)品的相關知識。

　　相比較前幾年2.8V~3.3V的核心電壓需求，近來越來越多的芯片可以在1.2V~1.8V的低壓下順暢運行。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，選擇合適的電壓轉換器成為設計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越大，線性穩(wěn)壓器在電壓轉換過程中產(chǎn)生了很大了能量損耗，以致其效率甚至可能低至50%以下。更多的設計者開始傾向于降壓型 DC/DC轉換器。

　　對于在DC/DC開關轉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、交貨期和技術支持等設計外因素;并且通常認為在相同條件下，為了降低電感器件的內部損耗，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，常常直接簡稱為電感。它是利用電磁感應的原理進行工作的。作用：阻交流通直流，阻高頻通低頻（濾波），也就是說高頻信號通過電感線圈時會遇到很大的阻力，很難通過，而對低頻信號通過它時所呈現(xiàn)的阻力則比較小，即低頻信號可以較容易的通過它。電感線圈對直流電的電阻幾乎為零。電感是導線內通過交流電流時，在導線的內部周圍產(chǎn)生交變磁通，導線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。當電感中通過直流電流時，其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線，不隨時間而變化;可是當在線圈中通過交流電流時，其周圍將呈現(xiàn)出隨時間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應定律-磁生電來分析，變化的磁力線在線圈兩端會產(chǎn)生感應電勢，此感應電勢相當于一個“新電源”。當形成閉合回路時，此感應電勢就要產(chǎn)生感應電流。由楞次定律知道感應電流所產(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，考慮流過電感器的電流，對直流電流損

　　失的部分用Rdc×Idc表示;對交流電流所損失的部分則用Rac×ΔI來表征。通過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上升。

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

　　圖1是某GSM制式手機在待機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論替換交流阻抗較小的電感后，平均待機電流由2.4465mA降低到了2.1337mA.平均待機電流減少了12.8%，這意味著可以將手機的待機時間延長14.7%.那么對直流阻抗較小的電感而言，其價值如何體現(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導航等功能時便攜式產(chǎn)品所處的工作環(huán)境，此時可以期待直流阻抗較小的電感會帶來更長的使用時間。不過由于平均電流都比較大，一定程度的改善并不會對實際使用時間造成多少差別，反而我們相信更長待機時間的誘惑可以讓設計者對使用時間做出犧牲。

　　用于3G的下一代數(shù)字處理器正在向90納米和65納米工藝技術演進，這將使供電電源降低到接近1V，我們在系統(tǒng)級的電源設計中將更多的見到 DC/DC轉換器的身影。對待機時間和使用時間的平衡是設計者在設計過程中需要不斷面對的折衷考慮之一，而對待機時間的重要影響值得我們對電感器做出仔細挑選。