DC-DC转换器的电源转换效率和功率电感性能的解决方案

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随着高新技术的不断研发，各种设备都已进入高端化，作为后备军，电源电路也有了较为明显的进步。具体来说，以典型的手机为例，除了原始的通话功能之外，相机、广播、电视等各种功能已经成为普遍标准的功能。这些功能的工作所需的电压各不相同，为此，电池电压必须通过电源转换电路将其电压转换成各电路正常工作所需电压。大多采用电源转换效率较高的开关控制器（通常称作DC-DC转换器）。
       
        另外，在移动设备多功能化进程中，对机器的小型、薄型化要求也逐步提升。为此就必须减少元件的使用数量，或者将元件做到更小。此对策是借由提高DC-DC转换器的开关频率，减小必要的功率电感和电容的额定参数值，以此来适应元件的小型化。将集中控制电源的PMIC（PowerManagementIC）的开关频率，将从一直使用的1MHZ变为3MHz，还有管理单独电源的DC-DC转换器IC中主流频率一直是3～4MHz，对于此种情况，作为主要元件的功率电感就需要1.0uH到2.2uH的低感值产品。而开关频率数的提高使静噪成为必须，为了解决这些课题，推动了功率电感的开发。
       
        手机电源电路功率电感的必要特性
       
        在此阐述多功能小型手机的电源电路对功率电感的形状和特性的要求。主要有以下三项。
       
        体积小，厚度薄
       
        拥有能够适应电源电路高电源转换效率的特性
       
        在电源工作状态下拥有抗噪声能力
       
        接下来就村田制作所开发的，具备以上性能的功率电感的性能作说明。
       
        针对小型电源电路开发的叠层型功率电感
       
        对应小型、薄型需要的功率电感及其主要性能
       
        村田制作所开发了对应电源电路小型化需求的叠层型功率电感LQM2HP（2520尺寸）、LQM2MP（2016尺寸）系列，并投入量产。这些功率电感都是符合集合PMIC和电源供给端的基带IC等1.0mm厚封装趋势的超薄设计。外形如图1所示。
         
       
       
       
        图1-2：LQM2MP外形
       
        通过直流电流后感值偏执特性良好，可以作为各功率电感的特长。电流-感值偏执特性是指功率电感通电时，电流变大引起感值下降的性质。这是叠层型功率电感的封闭磁路构造导致的磁通量饱和引起的，因此为了克服这个弱点，开发新技术以降低叠层铁氧体中的磁通量分布，从而改善电流的叠加特性，最后反映在各个产品上。
       
        表1是各产品的主要特性，表二则是电流-感值偏执特性。
       
        品名感值
       
        （μH）感值测定频率
       
        （MHz）额定电流
       
        （mA）直流电阻
       
        （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）感值测定频率
       
        （MHz）额定电流
       
        （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%
         
       
       
       
        图2：电流叠加感值特性
       
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        电源电路（DC-DC转换器）的高电力变换效率特性
       
        DC-DC转换器的电源转换效率和功率电感性能之间的关联如图3所示。PFM是指手机在待机状态下保持低电流负荷的模式，这时电源转换效率性能是与功率电感的Rac（交流电阻）以及电流-感值偏执特性相关。图4当中显示了各功率电感的Rac特性以及图5中开关频率数是4MHz的DC-DC转换器IC的电源转换效率特性。如同图4中显示的Rac特性，LQM系列产品能够充分抑制Rac.同时，图2的电流-感值偏执特性中显示，它在电流通电时也能确保高感值，拥有良好的电力变换效率特性。这些性能能够实现手机在待机状态下的高电力变换效率，对延长电池寿命做出贡献。
       
        另一方面，PWM模式指相当于通话状态的高电流负荷状态，此模式与电感的Rdc特性（直流阻抗）有关，具有低Rdc性能的LQM系列在此领域具有良好的电源转换效率。
         
       
       
       
        图3：电源转换效率特性和电感特性的相关性
         
       
       
       
        图4：Rac特性
         
       
       
       
        图5：电源转换率数据（4MHzDC-DC转换器IC使用）
         
       
        抗噪性能的对策
       
        手机的电源电路中使用DC-DC转换器，使用的功率电感的磁束泄漏可能会诱发电源电路的不稳定，给电路造成不好的影响。这些问题可以通过使用磁束泄漏较少的叠层型功率电感来解决，可以阻止噪音干扰使电源电路保持稳定。另外，磁束泄漏少还能够使电源电路和周边的信号线等的电磁耦合减弱，抑制噪音诱发的信号纯度劣化。图6显示了绕线型功率电感和叠层型功率电感的磁束泄漏监测数据。与一直以来作为DC-DC转换器上使用的主要功率电感的绕线型功率电感相比，叠层型功率电感的磁束泄漏更少，现已证实闭合磁路的构造使磁束泄漏较少。这些数据表明在小型高速开关DC-DC转换器电路中使用小型叠层型功率电感的情况下，能够发挥它抗噪特性的特长。
         
       
       
       
        图6：叠层型功率电感和绕线型功率电感的磁束泄漏比较
       
        小结
       
        便携设备的小型、薄型化需求促使搭载于上的元器件尺寸也必须越来越小。电源电路中的DC-DC转换器的小型、薄型化可以使开关频率更高，周围元件更小型化。村田制作所在对小型叠层型功率电感商品的开发过程中，制造除了具有优良的电流-感值偏执特性，在通电状态下的磁束泄漏量较少的1008和0806尺寸产品。今后将更进一步开发更加小型化的0805和0603尺寸叠层型功率电感，为便携设备的高性能小型电源电路设计做贡献。