新一代穩(wěn)壓器需要新型電感封裝
為了滿足計(jì)算機(jī)工業(yè)提出的減小電路板尺寸和提高微處理器PWM控制器效率方面的要求,磁性產(chǎn)品制造商正在尋求一種新的屏蔽磁芯結(jié)構(gòu),來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵粉環(huán)形設(shè)計(jì)。這種在微處理器的計(jì)算能力技術(shù)方面要求降低電壓、提高功率的趨勢(shì),對(duì)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn),這是由于瞬態(tài)功率增加而提出的要求。改進(jìn)效率、提高瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間需要更好的電壓調(diào)節(jié)。多數(shù)脈沖寬度調(diào)制器的控制芯片制造商采用多相交疊同步升壓穩(wěn)壓器的電源結(jié)構(gòu),并使用基于輸出電感器DC電阻技術(shù)的電流讀出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
這對(duì)電感器設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響是巨大的,因?yàn)楫?dāng)電流和開(kāi)關(guān)頻率增加時(shí)電感量會(huì)降低。為了維持有效功率傳送,減小磁芯和銅的損耗是問(wèn)題的關(guān)鍵。由于材料成本低、散熱功能卓越和屏蔽性能優(yōu)良,通常選擇鐵粉環(huán)形電感器作為桌面計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)的升壓穩(wěn)壓器電感器封裝。典型的電感器尺寸與電流大小、磁芯材質(zhì)飽和特性、所需電感量有關(guān)。但是,為了面對(duì)新的空間要求和效率方面的挑戰(zhàn),已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新磁芯材料的電感器封裝,特點(diǎn)是體積比原來(lái)減小三分之一,但提供同樣的或更小的功率損耗。
桌面微處理器電源要求的電氣性能可用一個(gè)稱為VR10.x.的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義。該標(biāo)準(zhǔn)定義的電流和功率電平一直在穩(wěn)定增加,現(xiàn)在的值為小于1.6V時(shí)160A。這些高功率電平給電壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)者提出了重大挑戰(zhàn)。另外,因?yàn)镺EM市場(chǎng)份額的驅(qū)動(dòng),傳統(tǒng)的塔式桌面單元也要讓路給小型單元。功率消耗成為關(guān)鍵因素,因?yàn)槎鄶?shù)穩(wěn)壓器沒(méi)有專用的氣流冷卻,而是依賴剩余氣流。結(jié)果導(dǎo)致工作在電流大、溫度高環(huán)境中的電感器常常遇到可靠性方面的問(wèn)題。如果器件材質(zhì)沒(méi)有設(shè)計(jì)用于承受這樣的高溫,則這將成為電感器潛在故障模式中的一個(gè)重要因素。
另外,對(duì)于功率消耗最小化這個(gè)問(wèn)題來(lái)說(shuō),較高的開(kāi)關(guān)頻率使電感器材料的選擇成為關(guān)鍵。隨著頻率的增高,磁芯損耗也在增加。典型桌面控制器設(shè)計(jì)有兩相到四相幾種形式,它們并聯(lián)連接并在不同時(shí)間下開(kāi)關(guān)。為了控制和測(cè)量每個(gè)相位上的電流,電流讀出電阻Rdson使用電感器的DC電阻來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這是一個(gè)“無(wú)損耗”監(jiān)測(cè)電流的方法,不增加其它不必要元件的成本。為了精確監(jiān)測(cè),電感器電阻的容許偏差必須控制在±5%內(nèi)。
ON Semiconductor公司的2-4相升壓CPU控制器NCP5314是一個(gè)桌面多相控制器,每相使用一個(gè)輸出電感器。這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試并滿足VRD10.0(穩(wěn)壓器壓降)指標(biāo)要求,其中使用了BI Technologies公司的HM55屏蔽電感器。圖2所示電路板運(yùn)行在開(kāi)關(guān)頻率450 kHz,每相提供最大40A電流,性能在輸出100A和
