基于電感器的電源模塊的設(shè)計

模塊化開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器(“穩(wěn)壓器”)風(fēng)靡一時。將電源所需的所有組件集成到單個封裝中可節(jié)省空間并簡化電路設(shè)計。

半導(dǎo)體供應(yīng)商用來縮小電感器的技巧，就是可以將其插入模塊，就是增加開關(guān)頻率。事實(shí)證明，給定開關(guān)穩(wěn)壓器所需的電感值(電感)與開關(guān)頻率成反比，以獲得相等的峰峰值紋波電流。

較低的電感意味著線圈的環(huán)路和/或線路較少，線圈較小(線圈內(nèi)部的區(qū)域)，從而降低了電感器的體積¹。更高開關(guān)頻率的額外好處是減小輸出電容器的尺寸。

增加開關(guān)頻率會影響效率，并且在包含電感器的模塊的便利性與更高效但不包括電感器的模塊之間的權(quán)衡是需要仔細(xì)考慮的。

對效率的影響

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率(百分比)確定為輸出功率除以輸入功率x 100.較高的損耗會降低輸出功率，從而降低效率。此外，更高的損耗也會導(dǎo)致更大的熱量挑戰(zhàn)。表1顯示了模塊化穩(wěn)壓器中功耗的消耗位置。

損耗分量因子FET驅(qū)動損耗柵極電荷，驅(qū)動電壓，頻率FET開關(guān)損耗功能VIN，IOUT，F(xiàn)ET上升/下降時間，頻率FET電阻I²xRDS(on)功能二極管損耗Vf x IOUT x(1 - D)電感器損耗I²x直流電阻+ AC鐵心損耗電容器損耗IRMS²xESR IC損耗[IQ] IC工作時IQ的數(shù)據(jù)表規(guī)范

為了證明提高開關(guān)頻率對效率的影響，請考慮基于德州儀器(TI)TPS54160的模塊化開關(guān)穩(wěn)壓器參考設(shè)計。該器件為2.5 MHz，60 V，1.5 A降壓穩(wěn)壓器。該芯片使用外部電感，但如果電感集成在模塊中，則該示例成立。參考電路如圖1所示(L1是電感，C2是輸出電容)。

圖1：TI TPS54160開關(guān)穩(wěn)壓器參考原理圖。 (由德州儀器公司提供)

雖然由于FET(集成到模塊中)和芯片的其余部分存在損耗，但在這里可以忽略它們，因為在每個示例中使用相同的芯片。由于參考設(shè)計選擇了具有極低等效串聯(lián)電阻(ESR)的陶瓷電容，因此也可以忽略電容損耗。

因此，對損耗和效率的主要影響是電感。表2顯示了三個測試電路的開關(guān)頻率，電容和電感值。

開關(guān)頻率(kHz)C2(μF)/尺寸L1(μH)L1直流電阻(最大值)(mOhm)100 47/1206 100 240.9 300 10/0805 33 180 750 4.7/0603 15 135

效率測試的結(jié)果如圖2所示。該圖顯示了隨著開關(guān)頻率的增加效率的降低。電感的占位面積從420降至43.5mm²，但峰值效率也從86.5降至80%。

圖2：圖1所示開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，具有不同的元件和開關(guān)頻率，如表2所示。(順便提一下德州儀器公司)

順便提一下，為了提高任何頻率的效率，尋找一個低漏極的開關(guān)穩(wěn)壓器 - 滿載時的導(dǎo)通電阻(RDS(on))，柵極電荷或靜態(tài)電流規(guī)格;或?qū)ふ揖哂休^低等效電阻的電容器和電感器²。

尺寸和便利性與效率的關(guān)系

更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感器，然后可以將其集成到模塊中，但代價是效率高。例如，凌力爾特公司提供LTM4601 DC/DCμModule - 集成開關(guān)控制器，MOSFET，電感器和所有支持組件 - 采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封裝。 LTM4601在4.5至20 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，支持0.6至5 V的輸出電壓范圍。

LTM4601的工作頻率為850 kHz，輸入電壓為5 V時效率為93% 2.5 V，4 A輸出。

相比之下，請考慮使用同一家公司的LTC3610。該器件為模塊化降壓穩(wěn)壓器，具有4至24 V輸入和0.6至24 V輸出。它需要一個外部電感(和電容)。 Linear Technology允許用戶設(shè)置工作頻率，但典型工作頻率為550 kHz。

在此頻率下，LTC3610具有95%的效率，5 V輸入和2.5 V，4 A輸出。與LTM4601相比，這并不是一個巨大的差異，但如果效率是設(shè)計的關(guān)鍵特性之一，那么這兩個百分點(diǎn)可能會產(chǎn)生重大影響。

這與Intersil的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊類似。該公司的ZL9117M是一款非隔離負(fù)載點(diǎn)電源模塊，集成了數(shù)字PWM控制器，功率MOSFET，電感器以及完整解決方案所需的所有無源元件。當(dāng)工作在571 kHz，5 V輸入和1.2 V，4 A輸出時，效率為87.5%。

相比之下，Intersil的ISL95210是一款5 V，10 A降壓穩(wěn)壓器，需要一個外部電感，在400 MHz時提供95%的效率，輸入為5 V，輸出電壓為1.2 V。

總結(jié)

如果對開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的主要影響是它所占用的空間以及將其添加到電路板的容易程度，那么封裝中包含電感器的完全集成模塊就是不錯的選擇。但是需要付出代價，因為芯片制造商可能不得不提高開關(guān)頻率以縮小電感以適應(yīng)封裝，這會增加元件的功耗，從而降低效率。

通過巧妙的設(shè)計和產(chǎn)品優(yōu)化，制造商將效率損失的影響限制在幾個百分點(diǎn)，但如果高效率對設(shè)計至關(guān)重要，則可能仍然太多。

幸運(yùn)的是，供應(yīng)商提供一系列電源模塊，帶或不帶電感器，使設(shè)計人員可以靈活地選擇任何一種類型，具體取決于他或她的產(chǎn)品的要求。