具有集成电感器的功率模块的优点与应用设计.doc
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1、具有集成电感器的功率模块的优点与应用设计直流到直流电压转换器(“开关稳压器”)的普及 - 由于其在宽输入和输出电压范围内的高效率 - 芯片制造商已经将大量研究资金集中在将设备的基本组件压缩到模块中。这些模块通常包括脉冲宽度调制(PWM)控制器和开关元件,采用紧凑的封装,简化了工程师的设计工作。然而,直到最近,事实证明很难将能量存储设备(电感器)包含在封装内。这就要求工程师必须在电感器中指定,提供和设计外围元件,增加复杂性并消耗电路板空间。现在,新一代高频开关稳压器已经能够使用更小的电感器,使器件能够安装在元件供应商的封装内。本文简要介绍了电感器在开关中的作用 - 在继续描述选择具有集成电感器的
2、功率模块的技术优点和权衡之前,调节器设计。开关稳压器的剖析开关稳压器使用开关元件(通常是一个或两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和一个储能装置(电感器有效地将输入电压调节到较低(“降压”)或更高(“升压”)输出电压。电感器在开关稳压器中起着重要作用。在降压调节器中,当晶体管通电时,电感器中的磁场积聚,存储能量。电感器两端的电压降(与晶体管的占空比成比例)与输入电压的一部分相反(或“嗡嗡”)。当晶体管关闭时,电感器通过翻转其电动势(EMF)来对抗变化,并通过二极管向负载本身提供电流。在升压转换器中,当晶体管为时,电流从输入流出。切换到。它通过电感和晶体管,能量存储在电感的磁场中。通
3、过二极管没有电流,负载电流由电容器中的电荷提供。然后,当晶体管关闭时,电感器通过反转其EMF来抵抗任何电流下降,提升源电压,电流,由于这个升高的电压,从源通过电感器和二极管流到负载,以及给电容充电(图1)。图1:晶体管(SW)关断时升压转换器中的电流。在稳态条件下的降压转换器中,电感(IL)中的平均电流等于输出电流IOUT。由于电压输入是方波,电感器电流不是恒定的,而是随着输入电压的接通和断开而在最大值和最小值之间波动。最大值和最小值之间的差值(IL)称为峰峰值电感电流纹波(图2)。图2:输入电压切换会导致稳压器电感中的电流产生纹波。反过来,电流纹波与输出滤波电容的等效串联电阻(ESR)相结合
4、,会使输出电压在设定电压附近波动(参见TechZone文章“电容器选择是良好电压调节器设计的关键”)。电感器的选择部分取决于电感器电流所需的峰峰值和开关频率。对于给定的工作频率,较大的电感会降低峰峰值电流(因为对于这样的绕组,电流上升和下降较浅)。但是,对于相等的峰峰值纹波电流,电感值与开关频率成反比。通过增加开关稳压器的工作频率,可以使用具有更少环路和/或更薄线圈的电感器以及更小的磁芯,从而降低电感器的体积,因为通过以高频率工作电感器不具有在切换事件 1 之间存储尽可能多的能量(另请参阅TechZone文章“电感器在完成基于功率模块的解决方案中的作用”)。内部的微小电感主要半导体供应商提供更
5、广泛的电源模块,将开关稳压器的大部分组件集成到一个方便紧凑的封装中。通常,这些模块将PWM控制器和开关元件集成到硅器件中,使设计人员能够为输入和输出滤波器选择无源元件以匹配其应用。然而,这些芯片并未包含电感器,因为迄今为止,已经证明不可能缩小线圈使其成为硅特征。例如,Intersil的ISL85415降压开关稳压器集成了两个MOSFET和PWM控制器在单个芯片上但需要外部电感。该电源模块在3-36 V的输入电压范围内工作,在高达500 mA的电流下提供0.6-34 V电压。开关频率可在300 kHz至2 MHz的范围内调节。将电感器从电源模块中排除,使设计人员面临挑战,即为其电源指定合适的器件
6、。 (例如,上述Intersil器件在典型应用电路中采用22H外部电感。)虽然有大量供应商应用指出建议如何进行该过程和各种合适的电感器,但这不是琐碎的任务。例如,指定一个看起来非常适合该工作的器件可能非常容易,但实际上会导致开关稳压器进入不连续的工作模式,从而影响性能(参见TechZone文章“开关稳压器连续和不连续模式之间的差异”以及它为什么重要“)。即使选择合适的元件,工程师也面临着可能冗长的环路补偿过程,以确保开关稳压器在其工作带宽内保持稳定。研究人员正在研究如何在IC中添加电感器,但事实证明这很困难,因为即使在高频率下,也需要相对较大的硅片面来适应金属走线之间的长度,匝数,厚度和间距需
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