直流到直流電壓轉換器（“開關穩壓器”）的普及 - 由于其在寬輸入和輸出電壓范圍內的高效率 - 芯片制造商已經將大量研究資金集中在將設備的基本組件壓縮到模塊中。這些模塊通常包括脈沖寬度調制（PWM）控制器和開關元件，采用緊湊的封裝，簡化了工程師的設計工作。

然而，直到最近，事實證明很難將能量存儲設備（電感器）包含在封裝內。這就要求工程師必須在電感器中指定，提供和設計外圍元件，增加復雜性并消耗電路板空間。現在，新一代高頻開關穩壓器已經能夠使用更小的電感器，使器件能夠安裝在元件供應商的封裝內。

本文簡要介紹了電感器在開關中的作用 - 在繼續描述選擇具有集成電感器的功率模塊的技術優點和權衡之前，調節器設計。

開關穩壓器的剖析

開關穩壓器使用開關元件（通常是一個或兩個金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET））和一個儲能裝置（電感器有效地將輸入電壓調節到較低（“降壓”）或更高（“升壓”）輸出電壓。

電感器在開關穩壓器中起著重要作用。在降壓調節器中，當晶體管通電時，電感器中的磁場積聚，存儲能量。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”）。當晶體管關閉時，電感器通過翻轉其電動勢（EMF）來對抗變化，并通過二極管向負載本身提供電流。

在升壓轉換器中，當晶體管為時，電流從輸入流出。切換到。它通過電感和晶體管，能量存儲在電感的磁場中。通過二極管沒有電流，負載電流由電容器中的電荷提供。然后，當晶體管關閉時，電感器通過反轉其EMF來抵抗任何電流下降，提升源電壓，電流，由于這個升高的電壓，從源通過電感器和二極管流到負載，以及給電容充電（圖1）。

圖1：晶體管（SW）關斷時升壓轉換器中的電流。

在穩態條件下的降壓轉換器中，電感（IL）中的平均電流等于輸出電流IOUT。由于電壓輸入是方波，電感器電流不是恒定的，而是隨著輸入電壓的接通和斷開而在最大值和最小值之間波動。最大值和最小值之間的差值（ΔIL）稱為峰峰值電感電流紋波（圖2）。

圖2：輸入電壓切換會導致穩壓器電感中的電流產生紋波。

反過來，電流紋波與輸出濾波電容的等效串聯電阻（ESR）相結合，會使輸出電壓在設定電壓附近波動（參見TechZone文章“電容器選擇是良好電壓調節器設計的關鍵”）。

電感器的選擇部分取決于電感器電流所需的峰峰值和開關頻率。對于給定的工作頻率，較大的電感會降低峰峰值電流（因為對于這樣的繞組，電流上升和下降較淺）。但是，對于相等的峰峰值紋波電流，電感值與開關頻率成反比。通過增加開關穩壓器的工作頻率，可以使用具有更少環路和/或更薄線圈的電感器以及更小的磁芯，從而降低電感器的體積，因為通過以高頻率工作電感器不具有在切換事件 [1] 之間存儲盡可能多的能量（另請參閱TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。

內部的微小電感

主要半導體供應商提供更廣泛的電源模塊，將開關穩壓器的大部分組件集成到一個方便緊湊的封裝中。通常，這些模塊將PWM控制器和開關元件集成到硅器件中，使設計人員能夠為輸入和輸出濾波器選擇無源元件以匹配其應用。然而，這些芯片并未包含電感器，因為迄今為止，已經證明不可能縮小線圈使其成為硅特征。

例如，Intersil的ISL85415降壓開關穩壓器集成了兩個MOSFET和PWM控制器在單個芯片上但需要外部電感。該電源模塊在3-36 V的輸入電壓范圍內工作，在高達500 mA的電流下提供0.6-34 V電壓。開關頻率可在300 kHz至2 MHz的范圍內調節。

將電感器從電源模塊中排除，使設計人員面臨挑戰，即為其電源指定合適的器件。 （例如，上述Intersil器件在典型應用電路中采用22μH外部電感。）雖然有大量供應商應用指出建議如何進行該過程和各種合適的電感器，但這不是瑣碎的任務。例如，指定一個看起來非常適合該工作的器件可能非常容易，但實際上會導致開關穩壓器進入不連續的工作模式，從而影響性能（參見TechZone文章“開關穩壓器連續和不連續模式之間的差異”以及它為什么重要“）。即使選擇合適的元件，工程師也面臨著可能冗長的環路補償過程，以確保開關穩壓器在其工作帶寬內保持穩定。

研究人員正在研究如何在IC中添加電感器，但事實證明這很困難，因為即使在高頻率下，也需要相對較大的硅片面來適應金屬走線之間的長度，匝數，厚度和間距需要達到足夠的電感水平。這個問題變得更加困難，因為制造電感所需的大面積硅會因線圈和基板之間的寄生效應而產生不必要的電感。

加州大學伯克利分校的科學家們支持這一解決方案，采用絕緣納米復合磁性材料，可將給定器件的電感提升高達80％?；蛘?，使用這些高電感材料可使給定電感的線圈急劇縮小。高電感材料還將工作頻率從千兆赫范圍提高到數十千兆赫范圍 - 鼓勵更大的收縮。

盡管取得了這些進步，片上電感器的商業化還需要幾年時間。盡管如此，設計人員確實有一個臨時選項：將IC和電感器組合在一起的封裝。這種封裝比傳統的功率模塊更大，但占用的電路板空間小于電源模塊和分立電感器。此外，由于供應商已經完成了這項工作，設計人員不會面臨選擇和設計合適電感的麻煩。

Altera的Enpirion PowerSoC DC-DC轉換器系列是電源模塊的一個很好的例子它包含一個電感器。例如，EN23F2QI降壓穩壓器將MOSFET開關，小信號控制電路，補償和電感器集成到12 x 13 x 3 mm QFN封裝中（圖3）。

圖3：Enpirion PowerSoC將一個完整的開關穩壓器（包括電感器）整合到一個封裝中。

PowerSoC代表了一個完整的開關穩壓器解決方案，除了需要外部電阻和電容器用于輸入和輸出過濾。該器件工作頻率為1 MHz，以減小電感的大小，并可在4.5-13.2 V輸入電壓下提供高達15 A的0.75-3.3 V. EN23F2Q1在3.3 V和6 A的輸出電流下工作效率約為90％。圖4顯示了穩壓器的原理圖。

圖4：Enpirion PowerSoC原理圖。

德州儀器（TI）還提供集成電源解決方案TPS84A20。該產品將功率MOSFET，電感器和無源器件組合在一個薄型QFN封裝中，以創建一個10 A開關穩壓器。 TI解釋說，該解決方案消除了電感選擇和環路補償過程。

聲稱10 x 10 x 4.3 mm QFN封裝的效率超過95％。該器件采用2.95-17 V輸入電壓工作，在最高10 A時提供0.6-5.5 V電壓。

了解折衷方案

雖然包含電感的電源模塊是一個空間設計工程師應該為不可避免的權衡做好準備。

一個關鍵的缺點是效率損失。為了縮小電感器以將器件裝入封裝中，器件必須以更高的頻率工作。更高的開關頻率會導致更大的功率損耗，需要更多的電路板空間或散熱器來消散多余的熱量和/或有限的功率輸出。由于每單位時間的大量恒定能量切換事件，開關損耗隨著頻率的增加而增加。對于類似的器件，頻率每增加100 kHz，效率成本約為1％（盡管一些最新的開關穩壓器通過在制造過程中采用最新的工藝技術降低了這種效率成本）。

集成電感器的另一個缺點是這些微型電感器不使用實心磁芯（后來被描述為“空芯”，圖5）。核心類型對給定電感器能夠存儲多少能量具有顯著影響，因為它是電感器集中并包含磁場的介質 - 由繞組兩端的電壓產生 - 存儲能量。

圖5：空心電感器在高頻率下比鐵芯設備更有效。 （由Wurth Electronics提供）

磁芯的數量，體積和類型的組合設定了磁場強度的上限，因此存儲了能量。例如，具有低“磁阻”（類似于電路電阻）的磁芯可以支持相對高密度的磁場，而具有高磁阻的相同尺寸的磁芯只能支持較低密度的磁場。

固體鐵芯具有低磁阻，因此能夠存儲合理的能量但由于它們快速“飽和”而達到上限。粉末狀鐵芯也具有低磁阻并且比固體鐵芯容易飽和，但是更昂貴。此外，兩種類型鐵芯的電感隨工作頻率的變化而變化，隨著頻率的增加，損耗也隨之增加。

空芯電感的電感不隨頻率變化而且比黑色芯更有效。設備，特別是在高頻率下。這些裝置也產生較少的失真，但空氣僅支持低密度磁場，因此與具有給定數量繞組和尺寸的裝置的鐵芯相比，能量存儲較差。這種弱點在某種程度上通過以更高的頻率運行來解決。

也許與集成開關穩壓器中使用的空芯電感器的最大折衷是電磁干擾（EMI）成為一個問題因為磁芯不具有鐵芯的閉合磁場，因此允許雜散輻射逸出。由于高頻操作，EMI挑戰進一步增加。一些制造商試圖通過裝配屏蔽來緩解這個問題，但這會增加設備的成本并增加其尺寸 [2] 。

帶集成電感的開關穩壓器的最終折衷是電感的選擇受到限制，限制了設計人員優化穩壓器以適應最終產品的工作參數的范圍。

先鋒設計

電感在開關穩壓器的工作中起著關鍵作用，但其物理尺寸通常無法與主流芯片集成到模塊化格式的其他完整電源解決方案中供應商。這種電感器集成的缺乏使得開關電源的設計更加復雜，特別是與線性穩壓器相比時。

然而，更高頻率的操作和巧妙的設計使一些先驅的供應商能夠縮小電感器的尺寸可以與電源模塊的其余部分集成到一個相當緊湊的封裝中。通過使用這些封裝，設計工程師能夠在開發產品電源時消除電感選擇過程和相關環路補償。然而，將電感器容納在封裝中確實會帶來一些折衷，包括降低效率，選擇有限以及更大的EMI挑戰。