电感器的作用及电源封装设计中的应用

电子元件制造商在将开关DC-DC转换器（“稳压器”）的分立元件集成到模块方面取得了长足的进步。但是，有些人还没有完成这项工作。电感是调节器拓扑结构的关键部分，通常必须作为外部元件添加。

这是因为线圈不易于适应缩小其他元件的小型化。尽管如此，一些精选的硅供应商已经接受了挑战，并且现在可以使用一些新设计，这些设计可以将感应器从冷却中带入。

本文介绍了电感器的作用并考虑了它的原因。难以包含在模块化包装中。然后，本文将介绍凌力尔特，Intersil和Delta等功率模块制造商如何在其最新的电源封装（PSIP）设计中解决该问题。

不完全完全集成

集成开关稳压器的组成部分非常有意义。上市时间，总体成本（设计时间加元件），尺寸限制，可靠性和低噪声是模块化与分立式稳压器设计的优势（参见之前的Power TechZone文章）

制造商飞兆半导体，美心和德州仪器等公司已经通过引入大量模块化电源来满足市场需求，这使得设计人员可以相对轻松地为其最新产品添加稳压器。

但是，设备如飞兆半导体的FAN8303降压稳压器（图1）或Maxim的MAX8625A降压稳压器并未完全集成。电感器（图2）是一个顽固地违反摩尔定律而且体积庞大的元件，不包含在封装中。设计人员可以选择一个设备，在电路板上找到它的空间，然后将其连接到电源模块。通常这不是问题，但还有其他情况，这远非理想。

图1：飞兆半导体的FAN8303是一个集成的模块化开关稳压器，但是 - 共同与其他制造商的设备 - 确实需要一个外部电感（L）。 （由Fairchild提供。）

图2：用于开关稳压器的电感器由于其尺寸而无法进行集成。 （由Würth提供。）

开关转换器的基本组件

电感器是开关稳压器的重要组成部分。图3a显示了降压转换器的简化电路（将输入电压降低到较低输出）。

图3：简化降压（a）和增强（b）电路。 （由马克西姆提供。）

在该电路中，电感器用作储能装置。当晶体管通电时，电流从输入源流过晶体管和电感，流向输出。电感器中的磁场积聚，储存能量。电感器两端的电压降（与晶体管的占空比成比例）与输入电压的一部分相反（或“嗡嗡”）。当晶体管关闭时，电感器通过翻转其电动势（EMF）来对抗变化，并通过二极管向负载本身提供电流。

在升压转换器（图3b）中，电流从输入流出当晶体管导通时。它通过电感和晶体管，能量存储在电感的磁场中。通过二极管没有电流，负载电流由电容器中的电荷提供。然后，当晶体管关闭时，电感器通过反转其EMF来抵抗任何电流下降，提升源电压，并且由于该升压电压，电流现在从电源通过电感器和二极管流到负载，如同以及为电容器充电。

缩小电感器

完全集成的电源模块要求制造商将电源电感器移到封装内。不幸的是，这并不简单。

主要问题是尺寸。你不能只是缩小线圈，希望它能完成这项工作。线圈的电感（以及它的储能和EMF）与导线长度，厚度和环路数量成正比.¹（注意，调高电流可以增加线圈的储能容量。固定尺寸，但这通常不适用于具有固定输入的稳压器。）

用于开关稳压器的电感器，工作在几百赫兹，输出电压为3到6 V，几百毫安，通常为数十微亨（μH）的量级。这决定了体积可能为500至750 mm3的组件。与模块中的其他组件相比，这是一个庞大的器件。

增加稳压器的开关频率允许使用更小的电感器。事实证明，对于相等的峰峰值纹波电流，电感值与开关频率成反比。较低的电感值意味着线圈的环路和/或线路较少，线圈较小（线圈内部的面积）会降低电感器的体积。 [2]

表1显示两个具有相似电气性能但在不同频率下运行的WürthWE-PD系列电感器的体积差异。

电感值（μH）Isat（A）直流电阻（mΩ）开关频率（kHz）体积（mm³） ）22 3.8 36 400 864 4.7 3.9 35 2000 171

表1：在不同频率下运行的具有类似电气特性的电感器的体积比较。 （由安森美半导体公司提供。）

然而，尽管在更高频率下进行开关可以减小模块尺寸，但由于效率降低，最大转换率降低，压差（最小值），因此存在设计折衷方案。 VIN）更高，电流限制精度可能更差。 [2]

集成电感

许多设计师认为这些权衡价值接受更紧凑的设计。一些制造商已经通过在封装内引入具有电感器的模块来响应以创建PSIP。电感仍然占据封装中的大部分空间，但至少设计人员不再需要担心单独的元件。

此外，考虑到现代开关稳压器工作在几百赫兹，带来电感器靠近其他元件可以缩短信号走线，从而减轻了EMI的挑战。

制造工程师也更加满意，因为拾取放置机器有一个不那么棘手的组件印刷电路板（PCB）。

例如，凌力尔特提供LTM4601 DC-DCμModule（图4）。该模块集成了开关控制器，MOSFET，电感器和所有支持组件。该器件采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封装。 LTM4601在4.5至20 V的输入电压范围内工作，支持0.6至5 V的输出电压范围。只需大容量输入和输出电容即可完成设计。

图4：凌力尔特公司的DC-DCμModules采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封装，提供PSIP。

Intersil提供的ZL9117M作为PSIP替代产品。该DC-DC，非隔离负载点电源模块集成了数字PWM控制器，功率MOSFET，电感器以及完整解决方案所需的所有无源元件。 ZL9117M可在宽输入电压范围内工作，支持0.6至3.6 V的输出电压范围（图5）。

图5：Intersil的ZL9117M将电感器和所有其他无源器件集成在一起，形成完整的DC-DC转换器解决方案。

Delta的Delphi NE系列是另一种PSIP替代方案。该公司声称该产品系列支持3.3,5,8,6.6和12 V总线电压负载点应用，并且在垂直或水平安装的通孔微型封装中提供高达6A的输出电流。

小型化

设计人员准备在集成所有电源组件（包括电感器）的模块中权衡效率，如果空间不足和制造简单是关键因素他们的设计。制造商正在稳步推出可满足不断增长的需求的模块。

在闭门造车之后，一些芯片供应商正致力于开发真正的“电源片上系统”（SoC）。这些器件将所有内容（包括磁性元件）集成到一块硅片上。这是一项艰巨的挑战，因此人们不应期望在分销商处看到这些设备。然而，物理学已经被征服了，所以在芯片制造商研究如何将该技术商业化之前，这只是一个时间问题。