多层电感解决电源管理挑战
2008-09-09 15:34:08
来源：《国际电子变压器》2008年9月刊
点击：1279
1 引言
当前移动设备的多功能特性导致了电源电路工作电压的多样化。以最具代表性的移动设备手机为例，除了通信功能之外，数码相机、FM 收音机和移动电视差不多已变成手机的标准配置。为了使这些功能运转起来，需要采用不同的电压，而这就需要合适的电源电路来将电池提供的电压转换成不同应用电路所需的工作电压。在许多场合下，我们都采用开关调节器（即 DC/DC 转换器）来实现这一需求。
与此同时，尽管移动设备的功能变得日益增多，但它们仍然被要求做得更小和更薄。为了满足这一需求，必须减少使用的元件数目，或者采用尺寸更小的元件。基于这一考虑，电源电路所需的外部电感和电容数量就可以通过采用高开关频率的 DC/DC 转换器来减少。就 DC/DC 转换器的开关频率而言，与过去常用的 1MHz 相比，一种以集中方式控制多个电源的 3MHz 电源管理IC已成为主流。对于应用到分布式负载点电源上的 DC/DC 转换器而言，目前 3 至 4MHz 开关频率已成为主流。在这些环境中，要求关键元件之一的电源电感的值在 1.0μH~2.2μH 之间。同时，随着开关频率变得更高，还需要采取抗噪措施。为了应对以上所有问题，电感工业正在投入更大的努力开发电源电感。
2 多层片式电源电感
最主要的一点是，小型多功能手机的电源电路要求的电源电感必须具备小的占位面积和低高度，这些产品必须表现出与电源电路的高功率转换效率相称的性能。电源电路还必须在正常工作状态下表现出对噪音的抑制能力。
村田制作所成功地开发出并量产了 LQM2HP（2520尺寸）和 LQM2MP（2016尺寸）两个系列的多层电源电感，以满足降低电源电路尺寸的需要。这些电感的设计高度很低，以匹配最新电源管理 IC 或基带 IC 的 1.0mm 封装高度。这些多层电源电感的外观如图 1 所示。
这些电源电感具有很好的电流重叠电感特性，也就是常说的电感偏流特性，如图 2(a)。这种特性简单地说就是当电流施加在电感上时，电感值随电流的增加而下降的现象。多层电感的闭合的磁路结构易引起磁通量饱和，为了克服这个不足，村田采用了一个新的技术来控制铁氧体层的磁通量分布，以减少磁通量饱和，从而改善电流偏置特性。
3 适合高功率转换效率
DC/DC 转换器的转换效率同功率电感的关系如图 3。在 PFM 模式下，电流较低，即手机处在待机状态，这时转换效率同电感的交流电阻值和电流偏置特性有关。图 2(b) 显示了各个电感的交流阻抗值（Rac），从图可以看出 LQM 系列的交流电阻值非常低。图 4 显示了 IC 开关频率为 4MHz 的 DC/DC 转换器的功率电感转换效率的特性，从图可以看出在待机模式下的高功率转换效率，从而延长了电池寿命。
同时，在脉冲宽度调制下（PWM）负载电流大，一般为通话模式，在此模式下，直流电阻值应考虑，低直流电阻的 LQM 系列有利于高的功率转换。
4 有利于噪声控制，防止干扰
将 DC/DC 转换器应用于手机的电源电路时，优点很多，但可能的不利的因素也应注意，当磁力线从电感上泄漏出来时，将使开关电源电路动作不稳定。即噪音干扰问题，而这个问题也可以通过使用多层型的电源电感来解决，因为它具有很低的磁泄漏。同时，耦合到信号线或周边电路的电磁场大大减少，从而可以防止因噪音传导引起的信号失真。
图 5 显示了绕线型电源电感和多层电源电感的磁泄漏测量数据，从中可以看出，多层型的远远小于绕线型的。
5 本文小结
村田制作所一直在致力于开发 DC/DC 转换器的一个关键元件，即小型多层电源电感。目前，该公司已经开发出了 2520 和 2016 尺寸的多层电源电感，它们可在通话模式下表现出良好的电流偏置特性和低的磁泄漏。为了能帮助系统工程师在未来设计出移动设备使用的高性能小尺寸电源电路，我们将继续开发更小的 2012 和 1608 尺寸的高性能多层电源电感。
当前移动设备的多功能特性导致了电源电路工作电压的多样化。以最具代表性的移动设备手机为例，除了通信功能之外，数码相机、FM 收音机和移动电视差不多已变成手机的标准配置。为了使这些功能运转起来，需要采用不同的电压，而这就需要合适的电源电路来将电池提供的电压转换成不同应用电路所需的工作电压。在许多场合下，我们都采用开关调节器（即 DC/DC 转换器）来实现这一需求。
与此同时，尽管移动设备的功能变得日益增多，但它们仍然被要求做得更小和更薄。为了满足这一需求，必须减少使用的元件数目，或者采用尺寸更小的元件。基于这一考虑，电源电路所需的外部电感和电容数量就可以通过采用高开关频率的 DC/DC 转换器来减少。就 DC/DC 转换器的开关频率而言，与过去常用的 1MHz 相比，一种以集中方式控制多个电源的 3MHz 电源管理IC已成为主流。对于应用到分布式负载点电源上的 DC/DC 转换器而言，目前 3 至 4MHz 开关频率已成为主流。在这些环境中，要求关键元件之一的电源电感的值在 1.0μH~2.2μH 之间。同时，随着开关频率变得更高，还需要采取抗噪措施。为了应对以上所有问题，电感工业正在投入更大的努力开发电源电感。
2 多层片式电源电感
最主要的一点是，小型多功能手机的电源电路要求的电源电感必须具备小的占位面积和低高度，这些产品必须表现出与电源电路的高功率转换效率相称的性能。电源电路还必须在正常工作状态下表现出对噪音的抑制能力。
村田制作所成功地开发出并量产了 LQM2HP（2520尺寸）和 LQM2MP（2016尺寸）两个系列的多层电源电感，以满足降低电源电路尺寸的需要。这些电感的设计高度很低，以匹配最新电源管理 IC 或基带 IC 的 1.0mm 封装高度。这些多层电源电感的外观如图 1 所示。
这些电源电感具有很好的电流重叠电感特性，也就是常说的电感偏流特性，如图 2(a)。这种特性简单地说就是当电流施加在电感上时，电感值随电流的增加而下降的现象。多层电感的闭合的磁路结构易引起磁通量饱和，为了克服这个不足，村田采用了一个新的技术来控制铁氧体层的磁通量分布，以减少磁通量饱和，从而改善电流偏置特性。
3 适合高功率转换效率
DC/DC 转换器的转换效率同功率电感的关系如图 3。在 PFM 模式下，电流较低，即手机处在待机状态，这时转换效率同电感的交流电阻值和电流偏置特性有关。图 2(b) 显示了各个电感的交流阻抗值（Rac），从图可以看出 LQM 系列的交流电阻值非常低。图 4 显示了 IC 开关频率为 4MHz 的 DC/DC 转换器的功率电感转换效率的特性，从图可以看出在待机模式下的高功率转换效率，从而延长了电池寿命。
同时，在脉冲宽度调制下（PWM）负载电流大，一般为通话模式，在此模式下，直流电阻值应考虑，低直流电阻的 LQM 系列有利于高的功率转换。
4 有利于噪声控制，防止干扰
将 DC/DC 转换器应用于手机的电源电路时，优点很多，但可能的不利的因素也应注意，当磁力线从电感上泄漏出来时，将使开关电源电路动作不稳定。即噪音干扰问题，而这个问题也可以通过使用多层型的电源电感来解决，因为它具有很低的磁泄漏。同时，耦合到信号线或周边电路的电磁场大大减少，从而可以防止因噪音传导引起的信号失真。
图 5 显示了绕线型电源电感和多层电源电感的磁泄漏测量数据，从中可以看出，多层型的远远小于绕线型的。
5 本文小结
村田制作所一直在致力于开发 DC/DC 转换器的一个关键元件，即小型多层电源电感。目前，该公司已经开发出了 2520 和 2016 尺寸的多层电源电感，它们可在通话模式下表现出良好的电流偏置特性和低的磁泄漏。为了能帮助系统工程师在未来设计出移动设备使用的高性能小尺寸电源电路，我们将继续开发更小的 2012 和 1608 尺寸的高性能多层电源电感。
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