用超薄型功率電感提升DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能

隨著電子移動(dòng)終端的功能不斷增多，其需要的工作電壓也隨之變得多樣化。像手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，PDA等諸多以電池供電的產(chǎn)品，它們的LCD背光驅(qū)動(dòng)，功放模塊和IC的電源電路均需要不同的輸出電壓。這樣，需要一個(gè)DC到DC的轉(zhuǎn)換器來(lái)將電池電源的電壓轉(zhuǎn)換成不同的多個(gè)電壓給上述功能塊供電。因此，為了減小功耗，延長(zhǎng)電池壽命，高效率的電壓轉(zhuǎn)換器被廣泛地使用，而影響轉(zhuǎn)換器效率的關(guān)鍵因素是功率電感器。

同時(shí)，電子移動(dòng)終端變得越來(lái)越來(lái)小，越來(lái)越薄，因而DC/DC轉(zhuǎn)換器也需更小，更薄。但隨著轉(zhuǎn)換頻率越來(lái)越高，功能越來(lái)越多，對(duì)小而薄型功率電感的額定電流的要求也越來(lái)越高。這樣，大大加快了電感制作新技術(shù)的發(fā)展，包括材料，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝?；诖?，村田公司提供了一系列非常適合小型移動(dòng)終端產(chǎn)品中DC/DC轉(zhuǎn)換使用的功率電感，包括繞線(xiàn)型LQH3NP_G0系列和疊層型LQM2HP_J0系列，并已投放市場(chǎng)。這些器件不但尺寸小，厚度薄，而且額定電流非常大。

繞線(xiàn)型磁屏蔽結(jié)構(gòu)

LQH3NP_G0的尺寸為3.03.00.9mm，厚度低于1mm，其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前市場(chǎng)上大多數(shù)功率電感主要采用鐵氧體蓋包裹達(dá)到磁屏蔽的效果，而LQH3NP_G0系列采用了磁屏蔽結(jié)構(gòu)，它的繞線(xiàn)部分采用磁性粉末和樹(shù)脂涂覆(見(jiàn)圖2)。結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單的多。因此也最大限度的使用了繞線(xiàn)空間，從而通過(guò)其緊湊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小尺寸和低厚度。

繞線(xiàn)電感額定電流的定義方法有兩種:一種是直流偏置特性，即電感值隨電流的變化特性；另外一種是溫升特性，即主要由繞線(xiàn)直流電阻導(dǎo)致的熱量產(chǎn)生。LQH3NP_G0系列的直流偏置特性和溫升特性通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和磁屏蔽的設(shè)計(jì)規(guī)格有明顯提高。另外，LQH3NP_G0系列設(shè)計(jì)的時(shí)候很好的結(jié)合了兩種特性值，從而能夠提供更高的額定電流。圖3顯示了額定電流得以改善的圖形，圖4和圖5分別顯示了直流偏置特性和溫升特性。

如圖所示，在1.0uH的電感值上能夠通過(guò)1.5A的大電流。同時(shí)此系列的電感值范圍從1uH到250uH，從而能讓工程師選擇最合適的電感值來(lái)滿(mǎn)足電源管理IC的特殊應(yīng)用。

圖6顯示了在DC/DC轉(zhuǎn)換電路中使用22uH的功率電感LQH3N3N220N時(shí)的轉(zhuǎn)換效率。在評(píng)估中我們采用了1MHz轉(zhuǎn)換頻率的DC/DC升壓評(píng)估電路(參考圖7)，同時(shí)測(cè)量了另一個(gè)公司的鐵氧體磁屏蔽蓋結(jié)構(gòu)，尺寸為4.0?4.0?1.2mm的功率電感。

比較測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：雖然LQH3NP_G0系列的體積只有磁屏蔽蓋結(jié)構(gòu)的一半，但LQH3NP_G0系列可以提供一樣的電壓轉(zhuǎn)換效率。因此，這個(gè)系列在移動(dòng)設(shè)備中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

圖1 ： LQH3NP_G0系列芯片外觀圖。

圖2 ： LQH3NP_G0系列芯片與其它品的結(jié)構(gòu)比較。

圖3：額定電流定義的圖形表示方法。

圖4：LQH3NP_G0系列芯片的直流偏置特性。

圖5：LQH3NP_G0系列芯片的溫升特性。

圖6：利用 LQH3N3N220N功率電感的轉(zhuǎn)換效率的比較。

圖7：利用 LQH3N3N220N功率電感的升壓評(píng)估電路。

疊層型功率電感特性

在越來(lái)越高的轉(zhuǎn)換頻率下，疊層型功率電感也必須有多種電感值以供選擇，這也已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。和繞線(xiàn)型功率電感相比，疊層型功率電感在減小元件尺寸和厚度方面更加容易。然而，為了實(shí)現(xiàn)大的電流，其面臨著提供低直流電阻和改善直流偏置特性的難題。

村田在多年的疊層技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用一種新的內(nèi)部電極形成技術(shù)，使得LQM2HP_J0系列的低直流電阻成為可能。然而，直流偏置特性的改善對(duì)疊層型功率電感一直是一種挑戰(zhàn)。村田獨(dú)創(chuàng)的鐵氧體材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法使直流偏置特性改善成為可能，即使是流過(guò)電感的直流電流增加，也能阻止電感值的直線(xiàn)下降。

圖8描述了直流偏置特性。LQM2HP_J0系列功率電感的尺寸是2.5?2.0?1.1mm，但是在1uH的情況下可以通過(guò)1.5A的大電流。圖9描述了在一個(gè)實(shí)際使用2.2uH的DC/DC轉(zhuǎn)換器模型中安裝了LQM2HPN2R2后電壓轉(zhuǎn)換效率。

作為比較，這個(gè)圖形還顯示了另外一個(gè)制造商3.0?3.0?1.0mm尺寸繞線(xiàn)型功率電感的測(cè)試結(jié)果。在評(píng)估電路中，我們使用了3.0MHz轉(zhuǎn)換頻率的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換電路。

比較測(cè)試結(jié)果證明雖然LQM2HP_J0系列比其它制造商的繞線(xiàn)功率電感尺寸小，但是它可以提供接近90%的電壓轉(zhuǎn)換效率，與同類(lèi)的其它產(chǎn)品相同或更高。這個(gè)證明LQM2HP_J0系列是一種非常適合移動(dòng)設(shè)備元件的小型化的產(chǎn)品。

除上述述兩大系列產(chǎn)品外，村田公司還推出了很多小尺寸和超薄的產(chǎn)品線(xiàn)系列包括LQH2MC_52系列繞線(xiàn)電感和LQM31P_C0，LQM21P_C0系列疊層電感，支持市場(chǎng)對(duì)小尺寸大電流功率電感的需求。

圖8：LQM2HP_J0系列功率電感的直流偏置特性。

圖9：利用 LQM2HPN2R2的轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換效率比較。