直流－直流電壓轉(zhuǎn)換器具有集成電感器的優(yōu)點(diǎn)（和缺點(diǎn)）

這就是直流 - 直流電壓轉(zhuǎn)換器(“開(kāi)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(kāi)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?，F(xiàn)在，新一代的高頻開(kāi)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(kāi)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。

的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的解剖

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)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(kāi)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)。

電流的升壓轉(zhuǎn)換器圖片

圖1：有電流在升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(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)。

輸入電壓開(kāi)關(guān)電感紋波圖片

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

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(jiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率為等于峰 - 峰紋波電流。通過(guò)增加開(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)元件(多個(gè))整合到硅器件離開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)之間開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。

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