對(duì)應(yīng)高速開關(guān)頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的疊層型功率電感

前言
隨著移動(dòng)設(shè)備的多功能化，其電源電路的工作電壓也變得多樣化。具體來說，以典型的手機(jī)為例，除了原始的通話功能之外，相機(jī)、廣播、電視等各種功能已經(jīng)成為普遍標(biāo)準(zhǔn)的功能。這些功能的工作所需的電壓各不相同，為此，電池電壓必須通過電源轉(zhuǎn)換電路將其電壓轉(zhuǎn)換成各電路正常工作所需電壓。大多采用電源轉(zhuǎn)換效率較高的開關(guān)控制器（通常稱作DC-DC轉(zhuǎn)換器）。
另外，在移動(dòng)設(shè)備多功能化進(jìn)程中，對(duì)機(jī)器的小型、薄型化要求也逐步提升。為此就必須減少元件的使用數(shù)量，或者將元件做到更小。此對(duì)策是借由提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，減小必要的功率電感和電容的額定參數(shù)值，以此來適應(yīng)元件的小型化。將集中控制電源的PMIC(Power Management IC)的開關(guān)頻率，將從一直使用的1MHz變?yōu)?MHz,還有管理單獨(dú)電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器IC中主流頻率一直是3～4MHz，對(duì)于此種情況，作為主要元件的功率電感就需要1.0uH到2.2uH的低感值產(chǎn)品。而開關(guān)頻率數(shù)的提高使靜噪成為必須，為了解決這些課題，推動(dòng)了功率電感的開發(fā)。
手機(jī)電源電路中功率電感的必要特性
在此闡述多功能小型手機(jī)的電源電路對(duì)功率電感的形狀和特性的要求。主要有以下三項(xiàng)。
• 體積小，厚度薄
• 擁有能夠適應(yīng)電源電路高電源轉(zhuǎn)換效率的特性
• 在電源工作狀態(tài)下?lián)碛锌乖肼暷芰?br />接下來就村田制作所開發(fā)的，具備以上性能的功率電感的性能作說明。
針對(duì)小型電源電路開發(fā)的疊層型功率電感
對(duì)應(yīng)小型、薄型需要的功率電感及其主要性能
村田制作所開發(fā)了對(duì)應(yīng)電源電路小型化需求的疊層型功率電感LQM2HP(2520尺寸)、LQM2MP(2016尺寸)系列，并投入量產(chǎn)。這些功率電感都是符合集合PMIC和電源供給端的基帶IC等1.0mm厚封裝趨勢的超薄設(shè)計(jì)。外形如圖1所示。

 
圖1-1：LQM2HP外形

 
圖1-2：LQM2MP外形
通過直流電流后感值偏執(zhí)特性良好，可以作為各功率電感的特長。電流-感值偏執(zhí)特性是指功率電感通電時(shí)，電流變大引起感值下降的性質(zhì)。這是疊層型功率電感的封閉磁路構(gòu)造導(dǎo)致的磁通量飽和引起的，因此為了克服這個(gè)弱點(diǎn)，開發(fā)新技術(shù)以降低疊層鐵氧體中的磁通量分布，從而改善電流的疊加特性，最后反映在各個(gè)產(chǎn)品上。[!--empirenews.page--]
表1是各產(chǎn)品的主要特性，表二則是電流-感值偏執(zhí)特性。
表1：LQM2HP(升壓) LQM2MP(降壓)的主要特性
品名 感值
(μH) 感值測定頻率
(MHz) 額定電流
(mA) 直流電阻
(Ω)
LQM2HPNR47MG0 0.47±20% 1 1800  0.040 ±25%
LQM2HPN1R0MG0 1.0±20%  1600 0.055 ±25%
LQM2HPN1R5MG0 1.5±20%  1500 0.07 ±25%
LQM2HPN2R2MG0 2.2±20%  1300 0.08 ±25%
LQM2HPN3R3MG0 3.3±20%  1200 0.10 ±25%
LQM2HPN4R7MG0 4.7±20%  1100 0.11 ±25%
品名 感值
(μH) 感值測定頻率
(MHz) 額定電流
(mA) 直流阻抗
(Ω)
LQM2MPNR47MG0 0.47±30% 1 1600 0.060 ±25%
LQM2MPN1R0MG0 1.0±30%  1400 0.085 ±25%
LQM2MPN1R5MG0 1.5±30%  1200 0.11 ±25%
LQM2MPN2R2MG0 2.2±30%  1200 0.11 ±25%

 
圖2：電流疊加感值特性
電源電路(DC-DC轉(zhuǎn)換器)的高電力變換效率特性
DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率和功率電感性能之間的關(guān)聯(lián)如圖3所示。PFM是指手機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下保持低電流負(fù)荷的模式，這時(shí)電源轉(zhuǎn)換效率性能是與功率電感的Rac (交流電阻) 以及電流-感值偏執(zhí)特性相關(guān)。圖4當(dāng)中顯示了各功率電感的Rac特性以及圖5中開關(guān)頻率數(shù)是4MHz的DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的電源轉(zhuǎn)換效率特性。如同圖4中顯示的Rac特性，LQM系列產(chǎn)品能夠充分抑制Rac。同時(shí)，圖2的電流-感值偏執(zhí)特性中顯示，它在電流通電時(shí)也能確保高感值，擁有良好的電力變換效率特性。這些性能能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下的高電力變換效率，對(duì)延長電池壽命做出貢獻(xiàn)。
另一方面，PWM模式指相當(dāng)于通話狀態(tài)的高電流負(fù)荷狀態(tài)，此模式與電感的Rdc特性（直流阻抗）有關(guān)，具有低Rdc性能的LQM系列在此領(lǐng)域具有良好的電源轉(zhuǎn)換效率。

 
圖3：電源轉(zhuǎn)換效率特性和電感特性的相關(guān)性

 
圖4：Rac特性[!--empirenews.page--]

 
圖5：電源轉(zhuǎn)換率數(shù)據(jù)（4MHz DC-DC轉(zhuǎn)換器IC使用）
抗噪性能的對(duì)策
手機(jī)的電源電路中使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，使用的功率電感的磁束泄漏可能會(huì)誘發(fā)電源電路的不穩(wěn)定，給電路造成不好的影響。這些問題可以通過使用磁束泄漏較少的疊層型功率電感來解決，可以阻止噪音干擾使電源電路保持穩(wěn)定。另外，磁束泄漏少還能夠使電源電路和周邊的信號(hào)線等的電磁耦合減弱，抑制噪音誘發(fā)的信號(hào)純度劣化。圖6顯示了繞線型功率電感和疊層型功率電感的磁束泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)。與一直以來作為DC-DC轉(zhuǎn)換器上使用的主要功率電感的繞線型功率電感相比，疊層型功率電感的磁束泄漏更少，現(xiàn)已證實(shí)閉合磁路的構(gòu)造使磁束泄漏較少。這些數(shù)據(jù)表明在小型高速開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器電路中使用小型疊層型功率電感的情況下，能夠發(fā)揮它抗噪特性的特長。

 
圖6：疊層型功率電感和繞線型功率電感的磁束泄漏比較
小結(jié)
便攜設(shè)備的小型、薄型化需求促使搭載于上的元器件尺寸也必須越來越小。電源電路中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的小型、薄型化可以使開關(guān)頻率更高，周圍元件更小型化。村田制作所在對(duì)小型疊層型功率電感商品的開發(fā)過程中，制造除了具有優(yōu)良的電流-感值偏執(zhí)特性，在通電狀態(tài)下的磁束泄漏量較少的1008和0806尺寸產(chǎn)品。今后將更進(jìn)一步開發(fā)更加小型化的0805和0603尺寸疊層型功率電感，為便攜設(shè)備的高性能小型電源電路設(shè)計(jì)做貢獻(xiàn)。