一种微型多层功率电感器
2010-01-05 11:08:36
来源：《磁性元件与电源》2010年1月刊
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1 引言
随着移动设备功能的多元化，其供电电路的工作电压必须实行分布式多路供给，例如，移动电话需要同时供电给LCD驱动，功率放大和基带集成电路(IC)，但各部分的供电电压是不相同的，因此，需要把电池电压转变成各部分电路所要求的工作电压。而且，各部分电路所要求的工作电压变得越来越低，越来越精确。因为极小的供电电压波动都会给这些移动设备带来比较高的故障率。
解决这个问题的主要方案是采用分布式供电系统，就是通过在大规模集成电路(LSI)的附近放置电源电路，用以控制由于线绕电阻和线绕电感引起的电压波动，因此，必须有能够单独控制每一个LSI的电源系统。在最近的移动设备上开发出了许多类似的供电系统电路。
移动设备中的供电系统主要分线性调节和开关调节两种。移动产品对于其降低功率损耗和延长供电电池的使用寿命有很高的要求，而采用DC/DC变换器的开关调节在电压变换过程中表现出更低的功率损耗，因此常常受到重视。
再则，从减小设备尺寸的角度上看，DC/DC变换器电路外部的元器件数量在增加，而且供电系统的电路安装面积趋于增大，这样，就必须减小上述元器件的尺寸。利用DC/DC变换器的高频开关特性，就可以减少其电感器和电容器的数量，从而使得设备的整体尺寸做小。
高性能的集成电路半导体制造技术的进步，推动了高频开关电源的发展。一般情况下，采用一个线绕电感器作为DC/DC变换器的功率电感，随着变换器要求的电感值的减小，以及陶瓷材料与器件技术的进步，多层功率电感器已在行业内广泛地开展研制。此外，多层功率电感器利于减小设备的总体尺寸这一优越性是线绕功率电感器无法实现的。
2 LQM31P功率电感器简介
日本村田制作所研制并已批量生产和用于移动设备DC/DC变换器上的多层功率电感器LQM31P是目前比较典型的一种微型多层功率电感器。图1所示为LQM31P多层功率电感器的外型照片。图2则显示了在DC/DC变换器电路中使用了LQM31P功率电感器后电压的变换效率。图3所示为一种移动电话机和数码相机应用降压DC/DC变换器的评估等效电路图，用以测量在4MHz频率时电压的变换效率。在图2中也同时绘出了一种传统的功率电感器在DC/DC变换器电路中的变换效率，用以与LQM31P多层功率电感器进行比较。
在用于开关电源电路中时，传统的多层电感器的电压变换效率随着频率的增高而下降。而LQM31P多层电感器则可提供稳定的电压变换效率，甚至在更高的开关频率下，也可以用于新设备的电路中。
2.1 LQM31P多层功率电感器的特征要求
随着移动设备的小型化、多功能化的进展，其内部电路的开关频率也越来越高，同时，供电电路也被要求采用更高密度的封装。如前所述，传统的普通型功率电感器会随着电路的开关频率的增高而降低电压的变换效率。所以，在设计DC/DC变换器的功率电感器时，工程师们必须解决频率切换速度和高密度封装所带来的影响。
2.2 高频率下设备的交流(AC)阻抗特性
为扼制降低DC/DC变换器电路的电压变换效率，必须控制部分半导体和电感器产生的衰减。按照常规的办法，用减少直流(DC)阻抗来抑制这些衰减，对于一个DC/DC变换器模块中采用什么样的电感器是非常关键的。越来越高的开关频率用于移动设备中，使得电感器中使用的铁氧体磁心中的涡流损耗和磁滞损耗越来越突出（包括其交流阻抗损耗）。因此，要扼制电感器引起的损耗，必须减小直流阻抗和带来高频损耗的交流(AC)阻抗。
图4所示为LQM31P电感器的AC阻抗的频率特性，同时也与图2中一样，用一个传统的多层电感做了电压变换效率的对比。图中所示的结果表明，传统的多层电感器的高频交流阻抗会突然增大，而LQM31P电感器在高频时却保持着较低的交流阻抗。其原因是LQM31P电感器通过磁环磁路设计和铁氧体材料特性的最优化选择，从而抑制了高频下的交流阻抗。从图4中还可以看到，在一个应用4MHz的DC/DC变换器电路中，采用传统型多层功率电感器的交流阻抗要比LQM31P电感器的交流阻抗大得多，如果使用在更高的开关频率上，这种差别将更为明显。因此，在高开关频率应用中，增加的电感器交流阻抗是DC/DC变换器降低电压变换效率的一个十分重要的参数。
2.3 直流(DC)偏置特性和电感值—温度特性
电感器的直流偏置特性（电感值—电流特性）是DC/DC变换器稳定输出的一项重要参数。当一个直流电流通过电感器时，电感器中的铁氧体磁心开始磁化，此时电感器本身的电感值会减小。当电感器的直流偏置特性不良时，其本身的电感值会迅速降低，致使电流增加过快而导致输出不稳定。当流经电路的电流增大时，电感器的电压变换效率将被减弱。此外，如果流经电路的电流变化速率超过电路的过流保护响应时，将会导致集成电路模块的损坏。所以，设计多层功率电感器必须努力改善其直流偏置特性。
众所周知，电感器的电感值会随着其周围温度的变化而变化。显然，这是不利于供电电路使用的，因为这很容易使器件发热。电感器的过高发热将限制其提供更多功能，同时，更将影响其高密度的封装从而使减小器件尺寸的问题变得突出。电感器的热量排放也将浪费资源而且使周边环境温度升高，这对设备和器件都是很不利的。所以，除了要求电感器有良好的直流偏置特性以外，稳定的电感值对减小周边环境中温度的影响也是非常必要的。
图5所示为1μH电感值的LQM31P电感器之工作温度变化时的直流偏置特性。由图可见，即使流经电感器的电流增大了，LQM31P电感器的电感值并没有突然而又较大幅度的变化。所以会出现这样的结果，是因为村田制作所选用了符合其要求的铁氧体材料以及创新的设计制造技术。因此，使得LQM31P电感器既可以提供稳定的电感值，同时在温度变化中也能保持稳定的电感值。
3 小结
由于DC/DC变换器电路中采用了更高的开关频率，所以电路中所用电感器的电感值可以减小，由此可以带来设备与器件小、薄、轻等优点。这样，多层功率电感器在DC/DC变换器电路中成了必要的需求。当变换器电路开关频率变得越来越高，且要求更高的封装密度时，对功率电感器特性提出了如下要求：更小的交流阻抗；直流偏置时具有更稳定的电感值；温度变化时有稳定的电感值等等。LQM31P多层功率电感器在高速开关频率时可抑制交流阻抗的增大，同时可在很宽的频率范围提供稳定的电压变换效率。LQM31P电感器的电感值不会因为电流的增大而突然降低，同时因其性能稳定而可控制工作温度。所以，使用LQM31P多层功率电感器的DC/DC变换器可以稳定的给设备供电。所以，LQM31P多层功率电感器是移动设备理想的电感器件。
随着移动设备功能的多元化，其供电电路的工作电压必须实行分布式多路供给，例如，移动电话需要同时供电给LCD驱动，功率放大和基带集成电路(IC)，但各部分的供电电压是不相同的，因此，需要把电池电压转变成各部分电路所要求的工作电压。而且，各部分电路所要求的工作电压变得越来越低，越来越精确。因为极小的供电电压波动都会给这些移动设备带来比较高的故障率。
解决这个问题的主要方案是采用分布式供电系统，就是通过在大规模集成电路(LSI)的附近放置电源电路，用以控制由于线绕电阻和线绕电感引起的电压波动，因此，必须有能够单独控制每一个LSI的电源系统。在最近的移动设备上开发出了许多类似的供电系统电路。
移动设备中的供电系统主要分线性调节和开关调节两种。移动产品对于其降低功率损耗和延长供电电池的使用寿命有很高的要求，而采用DC/DC变换器的开关调节在电压变换过程中表现出更低的功率损耗，因此常常受到重视。
再则，从减小设备尺寸的角度上看，DC/DC变换器电路外部的元器件数量在增加，而且供电系统的电路安装面积趋于增大，这样，就必须减小上述元器件的尺寸。利用DC/DC变换器的高频开关特性，就可以减少其电感器和电容器的数量，从而使得设备的整体尺寸做小。
高性能的集成电路半导体制造技术的进步，推动了高频开关电源的发展。一般情况下，采用一个线绕电感器作为DC/DC变换器的功率电感，随着变换器要求的电感值的减小，以及陶瓷材料与器件技术的进步，多层功率电感器已在行业内广泛地开展研制。此外，多层功率电感器利于减小设备的总体尺寸这一优越性是线绕功率电感器无法实现的。
2 LQM31P功率电感器简介
日本村田制作所研制并已批量生产和用于移动设备DC/DC变换器上的多层功率电感器LQM31P是目前比较典型的一种微型多层功率电感器。图1所示为LQM31P多层功率电感器的外型照片。图2则显示了在DC/DC变换器电路中使用了LQM31P功率电感器后电压的变换效率。图3所示为一种移动电话机和数码相机应用降压DC/DC变换器的评估等效电路图，用以测量在4MHz频率时电压的变换效率。在图2中也同时绘出了一种传统的功率电感器在DC/DC变换器电路中的变换效率，用以与LQM31P多层功率电感器进行比较。
在用于开关电源电路中时，传统的多层电感器的电压变换效率随着频率的增高而下降。而LQM31P多层电感器则可提供稳定的电压变换效率，甚至在更高的开关频率下，也可以用于新设备的电路中。
2.1 LQM31P多层功率电感器的特征要求
随着移动设备的小型化、多功能化的进展，其内部电路的开关频率也越来越高，同时，供电电路也被要求采用更高密度的封装。如前所述，传统的普通型功率电感器会随着电路的开关频率的增高而降低电压的变换效率。所以，在设计DC/DC变换器的功率电感器时，工程师们必须解决频率切换速度和高密度封装所带来的影响。
2.2 高频率下设备的交流(AC)阻抗特性
为扼制降低DC/DC变换器电路的电压变换效率，必须控制部分半导体和电感器产生的衰减。按照常规的办法，用减少直流(DC)阻抗来抑制这些衰减，对于一个DC/DC变换器模块中采用什么样的电感器是非常关键的。越来越高的开关频率用于移动设备中，使得电感器中使用的铁氧体磁心中的涡流损耗和磁滞损耗越来越突出（包括其交流阻抗损耗）。因此，要扼制电感器引起的损耗，必须减小直流阻抗和带来高频损耗的交流(AC)阻抗。
图4所示为LQM31P电感器的AC阻抗的频率特性，同时也与图2中一样，用一个传统的多层电感做了电压变换效率的对比。图中所示的结果表明，传统的多层电感器的高频交流阻抗会突然增大，而LQM31P电感器在高频时却保持着较低的交流阻抗。其原因是LQM31P电感器通过磁环磁路设计和铁氧体材料特性的最优化选择，从而抑制了高频下的交流阻抗。从图4中还可以看到，在一个应用4MHz的DC/DC变换器电路中，采用传统型多层功率电感器的交流阻抗要比LQM31P电感器的交流阻抗大得多，如果使用在更高的开关频率上，这种差别将更为明显。因此，在高开关频率应用中，增加的电感器交流阻抗是DC/DC变换器降低电压变换效率的一个十分重要的参数。
2.3 直流(DC)偏置特性和电感值—温度特性
电感器的直流偏置特性（电感值—电流特性）是DC/DC变换器稳定输出的一项重要参数。当一个直流电流通过电感器时，电感器中的铁氧体磁心开始磁化，此时电感器本身的电感值会减小。当电感器的直流偏置特性不良时，其本身的电感值会迅速降低，致使电流增加过快而导致输出不稳定。当流经电路的电流增大时，电感器的电压变换效率将被减弱。此外，如果流经电路的电流变化速率超过电路的过流保护响应时，将会导致集成电路模块的损坏。所以，设计多层功率电感器必须努力改善其直流偏置特性。
众所周知，电感器的电感值会随着其周围温度的变化而变化。显然，这是不利于供电电路使用的，因为这很容易使器件发热。电感器的过高发热将限制其提供更多功能，同时，更将影响其高密度的封装从而使减小器件尺寸的问题变得突出。电感器的热量排放也将浪费资源而且使周边环境温度升高，这对设备和器件都是很不利的。所以，除了要求电感器有良好的直流偏置特性以外，稳定的电感值对减小周边环境中温度的影响也是非常必要的。
图5所示为1μH电感值的LQM31P电感器之工作温度变化时的直流偏置特性。由图可见，即使流经电感器的电流增大了，LQM31P电感器的电感值并没有突然而又较大幅度的变化。所以会出现这样的结果，是因为村田制作所选用了符合其要求的铁氧体材料以及创新的设计制造技术。因此，使得LQM31P电感器既可以提供稳定的电感值，同时在温度变化中也能保持稳定的电感值。
3 小结
由于DC/DC变换器电路中采用了更高的开关频率，所以电路中所用电感器的电感值可以减小，由此可以带来设备与器件小、薄、轻等优点。这样，多层功率电感器在DC/DC变换器电路中成了必要的需求。当变换器电路开关频率变得越来越高，且要求更高的封装密度时，对功率电感器特性提出了如下要求：更小的交流阻抗；直流偏置时具有更稳定的电感值；温度变化时有稳定的电感值等等。LQM31P多层功率电感器在高速开关频率时可抑制交流阻抗的增大，同时可在很宽的频率范围提供稳定的电压变换效率。LQM31P电感器的电感值不会因为电流的增大而突然降低，同时因其性能稳定而可控制工作温度。所以，使用LQM31P多层功率电感器的DC/DC变换器可以稳定的给设备供电。所以，LQM31P多层功率电感器是移动设备理想的电感器件。
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