直流電壓轉(zhuǎn)換器具有集成電感器的哪些優(yōu)缺點(diǎn)

直流 - 直流電壓轉(zhuǎn)換器(“開關(guān)穩(wěn)壓器”)的普及 - 由于其跨寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)高效率 - 即芯片廠商都集中了大量的研究經(jīng)費(fèi)上擠壓了至關(guān)重要裝置為模塊的組件。這些模塊通常包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器，并在單個(gè)，緊湊的封裝的開關(guān)元件，緩和對(duì)工程師的設(shè)計(jì)工作。

然而，直到最近，已經(jīng)證實(shí)難以包括能量存儲(chǔ)裝置(電感器)的封裝內(nèi)。這就決定了工程師必須指定，源代碼和設(shè)計(jì)，在電感器外圍組件，增加了復(fù)雜和耗時(shí)的電路板空間。現(xiàn)在，新一代的高頻開關(guān)穩(wěn)壓器，使使用更小的電感使設(shè)備可以安裝到組件供應(yīng)商的包內(nèi)。

本文簡(jiǎn)要介紹了在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的電感器的移動(dòng)來(lái)形容，在選擇電源模塊集成電感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡之前的角色。

開關(guān)穩(wěn)壓器的解剖

開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)開關(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))和能量存儲(chǔ)裝置(一個(gè)電感)，以有效調(diào)節(jié)的輸入電壓到一個(gè)較低的(“巴克”)或更高( “升壓”)的輸出電壓。

電感器執(zhí)行在開關(guān)調(diào)節(jié)器的基本作用。在降壓調(diào)節(jié)器，該晶體管被通電時(shí)，磁場(chǎng)在電感積聚，存儲(chǔ)能量。電感兩端的電壓降(即正比于晶體管的占空比)反對(duì)(或“蚊」)的輸入電壓的一部分。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電感器反對(duì)通過(guò)經(jīng)由二極管翻轉(zhuǎn)其電動(dòng)勢(shì)(EMF)并提供給負(fù)載本身電流中的變化。

在升壓轉(zhuǎn)換器電流從輸入流時(shí)，晶體管被接通。此穿過(guò)電感器和晶體管，具有能量被存儲(chǔ)在電感器的磁場(chǎng)。沒(méi)有電流通過(guò)二極管和負(fù)載電流由在電容器中的電荷供給。然后，當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感反對(duì)在當(dāng)前任何壓降通過(guò)反轉(zhuǎn)其電動(dòng)勢(shì)，升壓電源電壓，電流，由于此升壓電壓，從源通過(guò)電感和二極管流向負(fù)載，以及再充電的電容器(圖1)。

在穩(wěn)態(tài)條件下在降壓轉(zhuǎn)換器，在該電感器(IL)的平均電流等于輸出電流IOUT。由于電壓輸入是一個(gè)方波，電感電流不是恒定的，而是在一最大值和最小值之間波動(dòng)與輸入電壓接通和關(guān)閉。的最大和最小(ΔIL)之間的差被稱為峰 - 峰值電感電流紋波(圖2)。

反過(guò)來(lái)，電流脈動(dòng)，結(jié)合輸出濾波電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)，使輸出電壓紋波周圍設(shè)置電壓(見技術(shù)專區(qū)文章“電容的選擇是關(guān)鍵良好穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)”)。

電感器的選擇是在由電感電流的所需峰 - 峰值和開關(guān)頻率部分來(lái)確定。對(duì)于給定的工作頻率，一個(gè)較大的電感降低峰 - 峰電流(因?yàn)殡娏鞯男逼律仙吧祲菏禽^淺這樣的繞組)。然而，電感值成反比的開關(guān)頻率為等于峰 - 峰紋波電流。通過(guò)增加開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率，以更少的循環(huán)和/或用于線圈較細(xì)的電線，和一個(gè)較小的芯可以使用的電感器，減少了電感器的體積，由于這樣的事實(shí)，通過(guò)以高頻率操作所述電感器不具有存儲(chǔ)切換事件之間的能量[1](另見技術(shù)專區(qū)的文章“在完成一個(gè)基于模塊的電源解決方案的電感器的作用”)。

纖巧的電感器內(nèi)

主要半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供一個(gè)更寬范圍的，納入大部分的開關(guān)調(diào)節(jié)器的組件的成方便緊湊的封裝電源模塊。通常，這些模塊的PWM控制器和開關(guān)元件(多個(gè))整合到硅器件離開設(shè)計(jì)者選擇無(wú)源元件的輸入和輸出濾波器，以滿足他們的應(yīng)用程序的工作。然而，這些芯片不包括了電感器，因?yàn)?，迄今為止，已證明不可能收縮，使得其成為一個(gè)硅特征的線圈。

例如，Intersil的ISL85415降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器集成了兩個(gè)MOSFET和PWM控制器在單一芯片上，但需要一個(gè)外部電感器。該電源模塊工作從3-36 V時(shí)的輸入電壓范圍，提供0.6-34 V電壓高達(dá)500 mA。開關(guān)頻率所用的范圍在300千赫茲到2MHz進(jìn)行調(diào)整。

從一個(gè)電源模塊的電感器的排斥離開設(shè)計(jì)者指定合適的裝置為他或她的電源的挑戰(zhàn)。 (例如，上述的Intersil的裝置采用一個(gè)22μH外部電感在一個(gè)典型的應(yīng)用電路。)雖然有豐富的供應(yīng)商應(yīng)用程序的筆記咨詢?nèi)绾稳サ倪^(guò)程和一個(gè)范圍廣泛的適當(dāng)?shù)碾姼衅鞯?，這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，它可以是太容易指定顯示完美的工作，但在實(shí)踐中會(huì)導(dǎo)致開關(guān)調(diào)節(jié)落入不連續(xù)操作模式不會(huì)影響性能的裝置(見之間開關(guān)穩(wěn)壓器的連續(xù)和不連續(xù)模式的技術(shù)展區(qū)文章“的差異以及它為什么重要“)。即使當(dāng)選擇了合適的元件，工程師面臨著潛在的冗長(zhǎng)環(huán)路補(bǔ)償過(guò)程，以確保開關(guān)調(diào)節(jié)器是在其工作帶寬穩(wěn)定。

研究人員正在研究的方法的電感器添加到一個(gè)IC，但它被證明是艱難的，因?yàn)榧词乖诟哳l率下，相對(duì)大面積的硅的需要，以適應(yīng)實(shí)現(xiàn)所需的金屬跡線之間的長(zhǎng)度，匝數(shù)，厚度的數(shù)目，和空適當(dāng)水平的電感。由于大面積的方式，制作電感器所需的硅鼓勵(lì)不需要的電感由于線圈和襯底之間的寄生效應(yīng)的問(wèn)題變得更加艱難。

一種解決方案，由科學(xué)家在加州大學(xué)伯克利分校，大學(xué)倡導(dǎo)使用絕緣納米復(fù)合磁性材料高達(dá)80%，以提高電感給定設(shè)備?？商娲?，使用這些高電感的材料允許給定電感的線圈，以大幅收縮。高電感的材料也助推從千兆赫茲范圍內(nèi)的工作頻率，以幾十千兆赫范圍 - 鼓勵(lì)更大的收縮。

盡管取得了這些進(jìn)展，片式電感的商業(yè)化還有一段幾年的時(shí)間。盡管如此，設(shè)計(jì)人員擁有的臨時(shí)選項(xiàng)：封裝，既一個(gè)集成電路和電感器到單個(gè)設(shè)備中。這樣的包比傳統(tǒng)的電源模塊更大，但占用比功率模塊和離散電感器的電路板空間。此外，設(shè)計(jì)人員不面對(duì)選擇和設(shè)計(jì)，在合適的電感器供應(yīng)商已經(jīng)完成工作的麻煩。

Altera的Enpirion公司PowerSoC DC-DC轉(zhuǎn)換器系列是集成了電感器的電源模塊的一個(gè)很好的例子。所述EN23F2QI降壓調(diào)節(jié)器，例如，集成了MOSFET開關(guān)，小信號(hào)控制電路，補(bǔ)償，和電感器成12×13×3毫米QFN封裝(圖3)。

所述PowerSoC代表所需的輸入和輸出濾波的外部電阻器和電容器一個(gè)完整的開關(guān)穩(wěn)壓溶液分開。該裝置工作在1 MHz的頻率，以降低電感器的尺寸，并可以以高達(dá)15所述的從一個(gè)4.5-13.2 V輸入提供0.75-3.3訴所述EN23F2Q1工作在約90%以3.3 V和6。圖4的輸出電流的效率示出調(diào)節(jié)器的示意圖。

德州儀器(TI)還提供了一個(gè)集成的電源解決方案，TPS84A20。該產(chǎn)品結(jié)合了功率MOSFET，電感器和無(wú)源器件在低輪廓，QFN封裝創(chuàng)建10開關(guān)穩(wěn)壓器。 TI解釋說(shuō)，解決方案消除了兩個(gè)電感器的選擇和環(huán)路補(bǔ)償過(guò)程。

10×10×4.3毫米QFN封裝是權(quán)利實(shí)現(xiàn)大于95%的效率。該器件工作在2.9??5-17 V輸入，以高達(dá)10 A.供應(yīng)0.6-5.5 V

了解權(quán)衡

同時(shí)集成電感功率模塊是節(jié)省空間的解決方案中，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)為不可避免的權(quán)衡來(lái)制備。

一個(gè)主要的缺點(diǎn)是效率損失。為了縮小電感鞋拔子器件放入包中，該裝置具有較高的頻率來(lái)操作。較高的開關(guān)頻率將導(dǎo)致更大的功率損失，需要更多的電路板空間或散熱器消散多余的熱量和??/或有限的功率輸出。開關(guān)損耗以更大的頻率，由于每單位時(shí)間的恒定能量切換事件的大量增加。對(duì)于同類器件的效率成本大約是百分之一的頻率每個(gè)100 kHz的增長(zhǎng)(盡管一些最新的開關(guān)穩(wěn)壓器已通過(guò)在制造過(guò)程中采用最新的工藝技術(shù)削減該效率成本)。

一個(gè)集成的電感器的另一缺點(diǎn)源于以下事實(shí)：這些微小的電感器不使用的固體核心(和隨后描述為“空芯”，圖5)。芯的類型有多少能量的給定電感可以存儲(chǔ)，因?yàn)樗怯呻姼衅骷葷饪s物和包含所述磁場(chǎng)的介質(zhì)一個(gè)顯著效果 - ，其存儲(chǔ)能量 - 通過(guò)在繞組上的電壓產(chǎn)生的。

繞組的數(shù)目的組合，音量和芯的類型上設(shè)置的磁場(chǎng)的存儲(chǔ)的強(qiáng)度，因此能量的上限。例如，具有低“磁阻”(類似于電路電阻)的芯可以支持相對(duì)高密度的磁場(chǎng)，而相同尺寸的芯具有高磁阻只能支持一個(gè)較低的密度磁場(chǎng)。

固體鐵芯具有低磁阻所以能夠儲(chǔ)存能量的合理數(shù)量，但達(dá)到的上限，由于??他們“飽和”快的事實(shí)。粉末狀鐵芯還具有低的磁阻并飽和相比難以固亞鐵芯，但是更昂貴。此外，這兩種類型的與工作頻率亞鐵芯變化的電感，和作為頻率爬升損失增加。

一個(gè)空心電感的電感不隨頻率變化，這是比鐵芯的設(shè)備更有效，尤其是在高頻率。這些設(shè)備還產(chǎn)生更少的失真，但空氣只支持一個(gè)低密度磁場(chǎng)所以與亞鐵核心為繞組和大小的給定數(shù)量的一個(gè)裝置相比儲(chǔ)能較差。這種弱點(diǎn)是通過(guò)在較高的頻率下操作處理到一定程度。

或許最大的權(quán)衡，在集成開關(guān)調(diào)節(jié)所使用的空芯電感是，電磁干擾(EMI)變成更大的問(wèn)題，因?yàn)樵撔緵](méi)有配備亞鐵鐵心的閉合磁場(chǎng)并且因此允許雜散輻射逸出。所述EMI挑戰(zhàn)是由于高頻操作進(jìn)一步增加。一些制造商試圖減輕由嵌合屏蔽問(wèn)題，但此增加了設(shè)備的成本，并增加其尺寸[2]。

最后一個(gè)折衷的集成電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器是電感的選擇可以被限制，限制的范圍為設(shè)計(jì)師來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)，以適應(yīng)最終產(chǎn)品的操作參數(shù)。

創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)

電感起著一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的操作了關(guān)鍵作用，但其物理尺寸已經(jīng)普遍防止融入否則完整的電源解決方案，以模塊化的形式從主流芯片供應(yīng)商。這種缺乏電感整合使得開關(guān)電源的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，特別是當(dāng)相對(duì)于線性穩(wěn)壓器。

然而，較高的頻率操作，并巧妙的設(shè)計(jì)使一些供應(yīng)商開拓收縮電感，以便它可以與功率模塊的其余部分被集成到一個(gè)合理的緊湊的封裝。通過(guò)使用這些包，設(shè)計(jì)工程師能夠開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品的電源時(shí)，以消除電感選擇過(guò)程和相關(guān)的環(huán)路補(bǔ)償。然而，容納電感器放入包中確實(shí)引入了一些取舍，包括效率降低，有限的選擇，和更大的EMI挑戰(zhàn)。