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直流-直流电压转换器具有集成电感器的优点(和缺点)

作者:时间:2018-08-16来源:网络收藏

这就是直流 - 直流电压(“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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/387018.htm

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。

的开关稳压器的解剖

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)。

电流的升压图片

图1:有电流在升压时,在晶体管(SW)被关断。

在稳态条件下在降压,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


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关键词: 直流-直流 转换器

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