電子元件制造商在將開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）的分立元件集成到模塊方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，有些人還沒有完成這項(xiàng)工作。電感是調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，通常必須作為外部元件添加。

這是因?yàn)榫€圈不易于適應(yīng)縮小其他元件的小型化。盡管如此，一些精選的硅供應(yīng)商已經(jīng)接受了挑戰(zhàn)，并且現(xiàn)在可以使用一些新設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)可以將感應(yīng)器從冷卻中帶入。

本文介紹了電感器的作用并考慮了它的原因。難以包含在模塊化包裝中。然后，本文將介紹凌力爾特，Intersil和Delta等功率模塊制造商如何在其最新的電源封裝（PSIP）設(shè)計(jì)中解決該問題。

不完全完全集成

集成開關(guān)穩(wěn)壓器的組成部分非常有意義。上市時(shí)間，總體成本（設(shè)計(jì)時(shí)間加元件），尺寸限制，可靠性和低噪聲是模塊化與分立式穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)（參見之前的Power TechZone文章）

制造商飛兆半導(dǎo)體，美心和德州儀器等公司已經(jīng)通過引入大量模塊化電源來滿足市場(chǎng)需求，這使得設(shè)計(jì)人員可以相對(duì)輕松地為其最新產(chǎn)品添加穩(wěn)壓器。

但是，設(shè)備如飛兆半導(dǎo)體的FAN8303降壓穩(wěn)壓器（圖1）或Maxim的MAX8625A降壓穩(wěn)壓器并未完全集成。電感器（圖2）是一個(gè)頑固地違反摩爾定律而且體積龐大的元件，不包含在封裝中。設(shè)計(jì)人員可以選擇一個(gè)設(shè)備，在電路板上找到它的空間，然后將其連接到電源模塊。通常這不是問題，但還有其他情況，這遠(yuǎn)非理想。

圖1：飛兆半導(dǎo)體的FAN8303是一個(gè)集成的模塊化開關(guān)穩(wěn)壓器，但是 - 共同與其他制造商的設(shè)備 - 確實(shí)需要一個(gè)外部電感（L）。 （由Fairchild提供。）

圖2：用于開關(guān)穩(wěn)壓器的電感器由于其尺寸而無法進(jìn)行集成。 （由Würth提供。）

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本組件

電感器是開關(guān)穩(wěn)壓器的重要組成部分。圖3a顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路（將輸入電壓降低到較低輸出）。

圖3：簡(jiǎn)化降壓（a）和增強(qiáng)（b）電路。 （由馬克西姆提供。）

在該電路中，電感器用作儲(chǔ)能裝置。當(dāng)晶體管通電時(shí)，電流從輸入源流過晶體管和電感，流向輸出。電感器中的磁場(chǎng)積聚，儲(chǔ)存能量。電感器兩端的電壓降（與晶體管的占空比成比例）與輸入電壓的一部分相反（或“嗡嗡”）。當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電感器通過翻轉(zhuǎn)其電動(dòng)勢(shì)（EMF）來對(duì)抗變化，并通過二極管向負(fù)載本身提供電流。

在升壓轉(zhuǎn)換器（圖3b）中，電流從輸入流出當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)。它通過電感和晶體管，能量存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)中。通過二極管沒有電流，負(fù)載電流由電容器中的電荷提供。然后，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電感器通過反轉(zhuǎn)其EMF來抵抗任何電流下降，提升源電壓，并且由于該升壓電壓，電流現(xiàn)在從電源通過電感器和二極管流到負(fù)載，如同以及為電容器充電。

縮小電感器

完全集成的電源模塊要求制造商將電源電感器移到封裝內(nèi)。不幸的是，這并不簡(jiǎn)單。

主要問題是尺寸。你不能只是縮小線圈，希望它能完成這項(xiàng)工作。線圈的電感（以及它的儲(chǔ)能和EMF）與導(dǎo)線長(zhǎng)度，厚度和環(huán)路數(shù)量成正比.1（注意，調(diào)高電流可以增加線圈的儲(chǔ)能容量。固定尺寸，但這通常不適用于具有固定輸入的穩(wěn)壓器。）

用于開關(guān)穩(wěn)壓器的電感器，工作在幾百赫茲，輸出電壓為3到6 V，幾百毫安，通常為數(shù)十微亨（μH）的量級(jí)。這決定了體積可能為500至750 mm3的組件。與模塊中的其他組件相比，這是一個(gè)龐大的器件。

增加穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率允許使用更小的電感器。事實(shí)證明，對(duì)于相等的峰峰值紋波電流，電感值與開關(guān)頻率成反比。較低的電感值意味著線圈的環(huán)路和/或線路較少，線圈較小（線圈內(nèi)部的面積）會(huì)降低電感器的體積。 [2]

表1顯示兩個(gè)具有相似電氣性能但在不同頻率下運(yùn)行的WürthWE-PD系列電感器的體積差異。

電感值（μH）Isat（A）直流電阻（mΩ）開關(guān)頻率（kHz）體積（mm3） ）22 3.8 36 400 864 4.7 3.9 35 2000 171

表1：在不同頻率下運(yùn)行的具有類似電氣特性的電感器的體積比較。 （由安森美半導(dǎo)體公司提供。）

然而，盡管在更高頻率下進(jìn)行開關(guān)可以減小模塊尺寸，但由于效率降低，最大轉(zhuǎn)換率降低，壓差（最小值），因此存在設(shè)計(jì)折衷方案。 VIN）更高，電流限制精度可能更差。 [2]

集成電感

許多設(shè)計(jì)師認(rèn)為這些權(quán)衡價(jià)值接受更緊湊的設(shè)計(jì)。一些制造商已經(jīng)通過在封裝內(nèi)引入具有電感器的模塊來響應(yīng)以創(chuàng)建PSIP。電感仍然占據(jù)封裝中的大部分空間，但至少設(shè)計(jì)人員不再需要擔(dān)心單獨(dú)的元件。

此外，考慮到現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器工作在幾百赫茲，帶來電感器靠近其他元件可以縮短信號(hào)走線，從而減輕了EMI的挑戰(zhàn)。

制造工程師也更加滿意，因?yàn)槭叭》胖脵C(jī)器有一個(gè)不那么棘手的組件印刷電路板（PCB）。

例如，凌力爾特提供LTM4601 DC-DCμModule（圖4）。該模塊集成了開關(guān)控制器，MOSFET，電感器和所有支持組件。該器件采用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。只需大容量輸入和輸出電容即可完成設(shè)計(jì)。

圖4：凌力爾特公司的DC-DCμModules采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封裝，提供PSIP。

Intersil提供的ZL9117M作為PSIP替代產(chǎn)品。該DC-DC，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。 ZL9117M可在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，支持0.6至3.6 V的輸出電壓范圍（圖5）。

圖5：Intersil的ZL9117M將電感器和所有其他無源器件集成在一起，形成完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

Delta的Delphi NE系列是另一種PSIP替代方案。該公司聲稱該產(chǎn)品系列支持3.3,5,8,6.6和12 V總線電壓負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，并且在垂直或水平安裝的通孔微型封裝中提供高達(dá)6A的輸出電流。

小型化

設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)備在集成所有電源組件（包括電感器）的模塊中權(quán)衡效率，如果空間不足和制造簡(jiǎn)單是關(guān)鍵因素他們的設(shè)計(jì)。制造商正在穩(wěn)步推出可滿足不斷增長(zhǎng)的需求的模塊。

在閉門造車之后，一些芯片供應(yīng)商正致力于開發(fā)真正的“電源片上系統(tǒng)”（SoC）。這些器件將所有內(nèi)容（包括磁性元件）集成到一塊硅片上。這是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因此人們不應(yīng)期望在分銷商處看到這些設(shè)備。然而，物理學(xué)已經(jīng)被征服了，所以在芯片制造商研究如何將該技術(shù)商業(yè)化之前，這只是一個(gè)時(shí)間問題。