直流-直流电压转换器具有集成电感器的优点( 和缺点)

　　这就是直流 - 直流电压转换器(“开关稳压器”)的普及 - 由于其跨宽输入和输出电压范围内高效率 - 即芯片厂商都集中了大量的研究经费上挤压了至关重要装置为模块的组件。这些模块通常包括脉冲宽度调制(PWM)控制器，并在单个，紧凑的封装的开关元件，缓和对工程师的设计工作。
　　然而，直到最近，已经证实难以包括能量存储装置(电感器)的封装内。这就决定了工程师必须指定，源代码和设计，在电感器外围组件，增加了复杂和耗时的电路板空间。现在，新一代的高频开关稳压器，使使用更小的电感使设备可以安装到组件供应商的包内。
　　本文简要介绍了在开关稳压器设计的电感器的移动来形容，在选择电源模块集成电感器的技术优势和权衡之前的角色。
　　开关稳压器的解剖
　　开关稳压器使用一个开关元件(通常是一个或两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))和能量存储装置(一个电感)，以有效调节的输入电压到一个较低的(“巴克”)或更高( “升压”)的输出电压。
　　电感器执行在开关调节器的基本作用。在降压调节器，该晶体管被通电时，磁场在电感积聚，存储能量。电感两端的电压降(即正比于晶体管的占空比)反对(或“蚊」)的输入电压的一部分。当晶体管关断时，电感器反对通过经由二极管翻转其电动势(EMF)并提供给负载本身电流中的变化。
　　在升压转换器电流从输入流时，晶体管被接通。此穿过电感器和晶体管，具有能量被存储在电感器的磁场。没有电流通过二极管和负载电流由在电容器中的电荷供给。然后，当晶体管截止时，电感反对在当前任何压降通过反转其电动势，升压电源电压，电流，由于此升压电压，从源通过电感和二极管流向负载，以及再充电的电容器(图1)。
　　电流的升压转换器图片
　　


　　图1：有电流在升压转换器时，在晶体管(SW)被关断。
　　在稳态条件下在降压转换器，在该电感器(IL)的平均电流等于输出电流IOUT。由于电压输入是一个方波，电感电流不是恒定的，而是在一最大值和最小值之间波动与输入电压接通和关闭。的最大和最小(ΔIL)之间的差被称为峰 - 峰值电感电流纹波(图2)。
　　输入电压开关电感纹波图片
　　


　　图2：输入电压开关引起监管机构的电感纹波电流。
　　反过来，电流脉动，结合输出滤波电容器的等效串联电阻(ESR)，使输出电压纹波周围设置电压(见技术专区文章“电容的选择是关键良好稳压器的设计”)。
　　电感器的选择是在由电感电流的所需峰 - 峰值和开关频率部分来确定。对于给定的工作频率，一个较大的电感降低峰 - 峰电流(因为电流的斜坡上升及升降压是较浅这样的绕组)。然而，电感值成反比的开关频率为等于峰 - 峰纹波电流。通过增加开关稳压器的工作频率，以更少的循环和/或用于线圈较细的电线，和一个较小的芯可以使用的电感器，减少了电感器的体积，由于这样的事实，通过以高频率操作所述电感器不具有存储切换事件之间的能量[1](另见技术专区的文章“在完成一个基于模块的电源解决方案的电感器的作用”)。
　　纤巧的电感器内主要半导体供应商都提供一个更宽范围的，纳入大部分的开关调节器的组件的成方便紧凑的封装电源模块。通常，这些模块的PWM控制器和开关元件(多个)整合到硅器件离开设计者选择无源元件的输入和输出滤波器，以满足他们的应用程序的工作。然而，这些芯片不包括了电感器，因为，迄今为止，已证明不可能收缩，使得其成为一个硅特征的线圈。
　　例如，Intersil的ISL85415降压型开关稳压器集成了两个MOSFET和PWM控制器在单一芯片上，但需要一个外部电感器。该电源模块工作从3-36 V时的输入电压范围，提供0.6-34 V电压高达500 mA。开关频率所用的范围在300千赫兹到2MHz进行调整。
　　从一个电源模块的电感器的排斥离开设计者指定合适的装置为他或她的电源的挑战。 (例如，上述的Intersil的装置采用一个22μH外部电感在一个典型的应用电路。)虽然有丰富的供应商应用程序的笔记咨询如何去的过程和一个范围广泛的适当的电感器的，这不是一个简单的任务。例如，它可以是太容易指定显示完美的工作，但在实践中会导致开关调节落入不连续操作模式不会影响性能的装置(见之间开关稳压器的连续和不连续模式的技术展区文章“的差异以及它为什么重要“)。即使当选择了合适的元件，工程师面临着潜在的冗长环路补偿过程，以确保开关调节器是在其工作带宽稳定。
　　研究人员正在研究的方法的电感器添加到一个IC，但它被证明是艰难的，因为即使在高频率下，相对大面积的硅的需要，以适应实现所需的金属迹线之间的长度，匝数，厚度的数目，和空适当水平的电感。由于大面积的方式，制作电感器所需的硅鼓励不需要的电感由于线圈和衬底之间的寄生效应的问题变得更加艰难。
　　一种解决方案，由科学家在加州大学伯克利分校，大学倡导使用绝缘纳米复合磁性材料高达80%，以提高电感给定设备。可替代地，使用这些高电感的材料允许给定电感的线圈，以大幅收缩。高电感的材料也助推从千兆赫兹范围内的工作频率，以几十千兆赫范围 - 鼓励更大的收缩。
　　尽管取得了这些进展，片式电感的商业化还有一段几年的时间。尽管如此，设计人员拥有的临时选项：封装，既一个集成电路和电感器到单个设备中。这样的包比传统的电源模块更大，但占用比功率模块和离散电感器的电路板空间。此外，设计人员不面对选择和设计，在合适的电感器供应商已经完成工作的麻烦。
　　Altera的Enpirion公司PowerSoC DC-DC转换器系列是集成了电感器的电源模块的一个很好的例子。所述EN23F2QI降压调节器，例如，集成了MOSFET开关，小信号控制电路，补偿，和电感器成12×13×3毫米QFN封装(图3)。
　　Enpirion公司PowerSoCs的图像
　　


　　图3：Enpirion的PowerSoCs掺入完整开关稳压器，包括电感器，在单一封装中。
　　所述PowerSoC代表所需的输入和输出滤波的外部电阻器和电容器一个完整的开关稳压溶液分开。该装置工作在1 MHz的频率，以降低电感器的尺寸，并可以以高达15所述的从一个4.5-13.2 V输入提供0.75-3.3诉所述EN23F2Q1工作在约90%以3.3 V和6。图4的输出电流的效率示出调节器的示意图。
　　Altera的Enpirion公司PowerSoC示意图
　　


　　图4：Enpirion公司PowerSoC的示意图。
　　德州仪器(TI)还提供了一个集成的电源解决方案，TPS84A20。该产品结合了功率MOSFET，电感器和无源器件在低轮廓，QFN封装创建10开关稳压器。 TI解释说，解决方案消除了两个电感器的选择和环路补偿过程。
　　的10×10×4.3毫米QFN封装是权利实现大于95%的效率。该器件工作在2.9 5-17 V输入，以高达10 A.供应0.6-5.5 V
　　了解权衡同时集成电感功率模块是节省空间的解决方案中，设计工程师应当为不可避免的权衡来制备。
　　一个主要的缺点是效率损失。为了缩小电感鞋拔子器件放入包中，该装置具有较高的频率来操作。较高的开关频率将导致更大的功率损失，需要更多的电路板空间或散热器消散多余的热量和 /或有限的功率输出。开关损耗以更大的频率，由于每单位时间的恒定能量切换事件的大量增加。对于同类器件的效率成本大约是百分之一的频率每个100 kHz的增长(尽管一些最新的开关稳压器已通过在制造过程中采用最新的工艺技术削减该效率成本)。
　　一个集成的电感器的另一缺点源于以下事实：这些微小的电感器不使用的固体核心(和随后描述为“空芯”，图5)。芯的类型有多少能量的给定电感可以存储，因为它是由电感器既浓缩物和包含所述磁场的介质一个显著效果 - ，其存储能量 - 通过在绕组上的电压产生的。
　　伍尔特电子空气芯电感器的图像
　　


　　图5：空芯电感在高频比铁芯装置更有效。 (伍尔特电子提供)
　　绕组的数目的组合，音量和芯的类型上设置的磁场的存储的强度，因此能量的上限。例如，具有低“磁阻”(类似于电路电阻)的芯可以支持相对高密度的磁场，而相同尺寸的芯具有高磁阻只能支持一个较低的密度磁场。
　　固体铁芯具有低磁阻所以能够储存能量的合理数量，但达到的上限，由于 他们“饱和”快的事实。粉末状铁芯还具有低的磁阻并饱和相比难以固亚铁芯，但是更昂贵。此外，这两种类型的与工作频率亚铁芯变化的电感，和作为频率爬升损失增加。
　　一个空心电感的电感不随频率变化，这是比铁芯的设备更有效，尤其是在高频率。这些设备还产生更少的失真，但空气只支持一个低密度磁场所以与亚铁核心为绕组和大小的给定数量的一个装置相比储能较差。这种弱点是通过在较高的频率下操作处理到一定程度。
　　或许最大的权衡，在集成开关调节所使用的空芯电感是，电磁干扰(EMI)变成更大的问题，因为该芯没有配备亚铁铁心的闭合磁场并且因此允许杂散辐射逸出。所述EMI挑战是由于高频操作进一步增加。一些制造商试图减轻由嵌合屏蔽问题，但此增加了设备的成本，并增加其尺寸[2]。
　　最后一个折衷的集成电感器的开关稳压器是电感的选择可以被限制，限制的范围为设计师来优化调节，以适应最终产品的操作参数。
　　创业设计
　　电感起着一个开关稳压器的操作了关键作用，但其物理尺寸已经普遍防止融入否则完整的电源解决方案，以模块化的形式从主流芯片供应商。这种缺乏电感整合使得开关电源的设计更复杂，特别是当相对于线性稳压器。
　　然而，较高的频率操作，并巧妙的设计使一些供应商开拓收缩电感，以便它可以与功率模块的其余部分被集成到一个合理的紧凑的封装。通过使用这些包，设计工程师能够开发一个产品的电源时，以消除电感选择过程和相关的环路补偿。然而，容纳电感器放入包中确实引入了一些取舍，包括效率降低，有限的选择，和更大的EMI挑战。