直流－直流電壓轉(zhuǎn)換器具有集成電感器的優(yōu)點（和缺點）

這就是直流 - 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，緊湊的封裝的開關(guān)元件，緩和對工程師的設(shè)計工作。

然而，直到最近，已經(jīng)證實難以包括能量存儲裝置(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，在電感器外圍組件，增加了復(fù)雜和耗時的電路板空間?，F(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)。

本文簡要介紹了在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的電感器的移動來形容，在選擇電源模塊集成電感器的技術(shù)優(yōu)勢和權(quán)衡之前的角色。

的開關(guān)穩(wěn)壓器的解剖

開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個開關(guān)元件(通常是一個或兩個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET))和能量存儲裝置(一個電感)，以有效調(diào)節(jié)的輸入電壓到一個較低的(“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，磁場在電感積聚，存儲能量。電感兩端的電壓降(即正比于晶體管的占空比)反對(或“蚊」)的輸入電壓的一部分。當(dāng)晶體管關(guān)斷時，電感器反對通過經(jīng)由二極管翻轉(zhuǎn)其電動勢(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，晶體管被接通。此穿過電感器和晶體管，具有能量被存儲在電感器的磁場。沒有電流通過二極管和負(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，電感反對在當(dāng)前任何壓降通過反轉(zhuǎn)其電動勢，升壓電源電壓，電流，由于此升壓電壓，從源通過電感和二極管流向負(fù)載，以及再充電的電容器(圖1)。

電流的升壓轉(zhuǎn)換器圖片

圖1：有電流在升壓轉(zhuǎn)換器時，在晶體管(SW)被關(guān)斷。

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)。

輸入電壓開關(guān)電感紋波圖片

圖2：輸入電壓開關(guān)引起監(jiān)管機(jī)構(gòu)的電感紋波電流。

反過來，電流脈動，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”)。

電感器的選擇是在由電感電流的所需峰 - 峰值和開關(guān)頻率部分來確定。對于給定的工作頻率，一個較大的電感降低峰 - 峰電流(因為電流的斜坡上升及升降壓是較淺這樣的繞組)。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，通過以高頻率操作所述電感器不具有存儲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)整合到硅器件離開設(shè)計者選擇無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，因為，迄今為止，已證明不可能收縮，使得其成為一個硅特征的線圈。

例如，Intersil的ISL85415降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器集成了兩個MOSFET和PWM控制器在單一芯片上，但需要一個外部電感器。該電源模塊工作從3-36 V時的輸入電壓范圍，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。

從一個電源模塊的電感器的排斥離開設(shè)計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22μH外部電感在一個典型的應(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^程和一個范圍廣泛的適當(dāng)?shù)碾姼衅鞯?，這不是一個簡單的任務(wù)。例如，它可以是太容易指定顯示完美的工作，但在實踐中會導(dǎo)致開關(guān)調(diào)節(jié)落入不連續(xù)操作模式不會影響性能的裝置(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環(huán)路補償過程，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IC，但它被證明是艱難的，因為即使在高頻率下，相對大面積的硅的需要，以適應(yīng)實現(xiàn)所需的金屬跡線之間的長度，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不需要的電感由于線圈和襯底之間的寄生效應(yīng)的問題變得更加艱難。

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。可替代地，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間。盡管如此，設(shè)計人員擁有的臨時選項：封裝，既一個集成電路和電感器到單個設(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)計人員不面對選擇和設(shè)計，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)，小信號控制電路，補償，和電感器成12×13×3毫米QFN封裝(圖3)。

Enpirion公司PowerSoCs的圖像