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DC/DC轉換器的電源轉換效率和功率電感性能的解決方案

文章來源：更新時間：2014/7/8 14:37:00

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隨著高新技術的不斷研發，各種設備都已進入高端化，作為后備軍，電源電路也有了較為明顯的進步。具體來說，以典型的手機為例，除了原始的通話功能之外，相機、廣播、電視等各種功能已經成為普遍標準的功能。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換電路將其電壓轉換成各電路正常工作所需電壓。大多采用電源轉換效率較高的開關控制器（通常稱作DC-DC轉換器）。
另外，在移動設備多功能化進程中，對機器的小型、薄型化要求也逐步提升。為此就必須減少元件的使用數量，或者將元件做到更小。此對策是借由提高DC-DC轉換器的開關頻率，減小必要的功率電感和電容的額定參數值，以此來適應元件的小型化。將集中控制電源的PMIC（PowerManagementIC）的開關頻率，將從一直使用的1MHZ變為3MHz，還有管理單獨電源的DC-DC轉換器IC中主流頻率一直是3～4MHz，對于此種情況，作為主要元件的功率電感就需要1.0uH到2.2uH的低感值產品。而開關頻率數的提高使靜噪成為必須，為了解決這些課題，推動了功率電感的開發。
手機電源電路功率電感的必要特性
在此闡述多功能小型手機的電源電路對功率電感的形狀和特性的要求。主要有以下三項。
體積小，厚度薄
擁有能夠適應電源電路高電源轉換效率的特性
在電源工作狀態下擁有抗噪聲能力
接下來就村田制作所開發的，具備以上性能的功率電感的性能作說明。
針對小型電源電路開發的疊層型功率電感
對應小型、薄型需要的功率電感及其主要性能
村田制作所開發了對應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。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計。外形如圖1所示。

圖1-2：LQM2MP外形
通過直流電流后感值偏執特性良好，可以作為各功率電感的特長。電流-感值偏執特性是指功率電感通電時，電流變大引起感值下降的性質。這是疊層型功率電感的封閉磁路構造導致的磁通量飽和引起的，因此為了克服這個弱點，開發新技術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，最后反映在各個產品上。
表1是各產品的主要特性，表二則是電流-感值偏執特性。
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轉換器）的高電力變換效率特性
DC-DC轉換器的電源轉換效率和功率電感性能之間的關聯如圖3所示。PFM是指手機在待機狀態下保持低電流負荷的模式，這時電源轉換效率性能是與功率電感的Rac（交流電阻）以及電流-感值偏執特性相關。圖4當中顯示了各功率電感的Rac特性以及圖5中開關頻率數是4MHz的DC-DC轉換器IC的電源轉換效率特性。如同圖4中顯示的Rac特性，LQM系列產品能夠充分抑制Rac.同時，圖2的電流-感值偏執特性中顯示，它在電流通電時也能確保高感值，擁有良好的電力變換效率特性。這些性能能夠實現手機在待機狀態下的高電力變換效率，對延長電池壽命做出貢獻。
另一方面，PWM模式指相當于通話狀態的高電流負荷狀態，此模式與電感的Rdc特性（直流阻抗）有關，具有低Rdc性能的LQM系列在此領域具有良好的電源轉換效率。

圖3：電源轉換效率特性和電感特性的相關性

圖4：Rac特性

圖5：電源轉換率數據（4MHzDC-DC轉換器IC使用）

抗噪性能的對策
手機的電源電路中使用DC-DC轉換器，使用的功率電感的磁束泄漏可能會誘發電源電路的不穩定，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定。另外，磁束泄漏少還能夠使電源電路和周邊的信號線等的電磁耦合減弱，抑制噪音誘發的信號純度劣化。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測數據。與一直以來作為DC-DC轉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，現已證實閉合磁路的構造使磁束泄漏較少。這些數據表明在小型高速開關DC-DC轉換器電路中使用小型疊層型功率電感的情況下，能夠發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
便攜設備的小型、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轉換器的小型、薄型化可以使開關頻率更高，周圍元件更小型化。村田制作所在對小型疊層型功率電感商品的開發過程中，制造除了具有優良的電流-感值偏執特性，在通電狀態下的磁束泄漏量較少的1008和0806尺寸產品。今后將更進一步開發更加小型化的0805和0603尺寸疊層型功率電感，為便攜設備的高性能小型電源電路設計做貢獻。