電子元件制造商在將開關DC-DC轉換器（“穩壓器”）的分立元件集成到模塊方面取得了長足的進步。但是，有些人還沒有完成這項工作。電感是調節器拓撲結構的關鍵部分，通常必須作為外部元件添加。

這是因為線圈不易于適應縮小其他元件的小型化。盡管如此，一些精選的硅供應商已經接受了挑戰，并且現在可以使用一些新設計，這些設計可以將感應器從冷卻中帶入。

本文介紹了電感器的作用并考慮了它的原因。難以包含在模塊化包裝中。然后，本文將介紹凌力爾特，Intersil和Delta等功率模塊制造商如何在其最新的電源封裝（PSIP）設計中解決該問題。

不完全完全集成

集成開關穩壓器的組成部分非常有意義。上市時間，總體成本（設計時間加元件），尺寸限制，可靠性和低噪聲是模塊化與分立式穩壓器設計的優勢（參見之前的Power TechZone文章）

制造商飛兆半導體，美心和德州儀器等公司已經通過引入大量模塊化電源來滿足市場需求，這使得設計人員可以相對輕松地為其最新產品添加穩壓器。

但是，設備如飛兆半導體的FAN8303降壓穩壓器（圖1）或Maxim的MAX8625A降壓穩壓器并未完全集成。電感器（圖2）是一個頑固地違反摩爾定律而且體積龐大的元件，不包含在封裝中。設計人員可以選擇一個設備，在電路板上找到它的空間，然后將其連接到電源模塊。通常這不是問題，但還有其他情況，這遠非理想。

圖1：飛兆半導體的FAN8303是一個集成的模塊化開關穩壓器，但是 - 共同與其他制造商的設備 - 確實需要一個外部電感（L）。 （由Fairchild提供。）

圖2：用于開關穩壓器的電感器由于其尺寸而無法進行集成。 （由Würth提供。）

開關轉換器的基本組件

電感器是開關穩壓器的重要組成部分。圖3a顯示了降壓轉換器的簡化電路（將輸入電壓降低到較低輸出）。

圖3：簡化降壓（a）和增強（b）電路。 （由馬克西姆提供。）

在該電路中，電感器用作儲能裝置。當晶體管通電時，電流從輸入源流過晶體管和電感，流向輸出。電感器中的磁場積聚，儲存能量。電感器兩端的電壓降（與晶體管的占空比成比例）與輸入電壓的一部分相反（或“嗡嗡”）。當晶體管關閉時，電感器通過翻轉其電動勢（EMF）來對抗變化，并通過二極管向負載本身提供電流。

在升壓轉換器（圖3b）中，電流從輸入流出當晶體管導通時。它通過電感和晶體管，能量存儲在電感的磁場中。通過二極管沒有電流，負載電流由電容器中的電荷提供。然后，當晶體管關閉時，電感器通過反轉其EMF來抵抗任何電流下降，提升源電壓，并且由于該升壓電壓，電流現在從電源通過電感器和二極管流到負載，如同以及為電容器充電。

縮小電感器

完全集成的電源模塊要求制造商將電源電感器移到封裝內。不幸的是，這并不簡單。

主要問題是尺寸。你不能只是縮小線圈，希望它能完成這項工作。線圈的電感（以及它的儲能和EMF）與導線長度，厚度和環路數量成正比.1（注意，調高電流可以增加線圈的儲能容量。固定尺寸，但這通常不適用于具有固定輸入的穩壓器。）

用于開關穩壓器的電感器，工作在幾百赫茲，輸出電壓為3到6 V，幾百毫安，通常為數十微亨（μH）的量級。這決定了體積可能為500至750 mm3的組件。與模塊中的其他組件相比，這是一個龐大的器件。

增加穩壓器的開關頻率允許使用更小的電感器。事實證明，對于相等的峰峰值紋波電流，電感值與開關頻率成反比。較低的電感值意味著線圈的環路和/或線路較少，線圈較小（線圈內部的面積）會降低電感器的體積。 [2]

表1顯示兩個具有相似電氣性能但在不同頻率下運行的WürthWE-PD系列電感器的體積差異。

電感值（μH）Isat（A）直流電阻（mΩ）開關頻率（kHz）體積（mm3） ）22 3.8 36 400 864 4.7 3.9 35 2000 171

表1：在不同頻率下運行的具有類似電氣特性的電感器的體積比較。 （由安森美半導體公司提供。）

然而，盡管在更高頻率下進行開關可以減小模塊尺寸，但由于效率降低，最大轉換率降低，壓差（最小值），因此存在設計折衷方案。 VIN）更高，電流限制精度可能更差。 [2]

集成電感

許多設計師認為這些權衡價值接受更緊湊的設計。一些制造商已經通過在封裝內引入具有電感器的模塊來響應以創建PSIP。電感仍然占據封裝中的大部分空間，但至少設計人員不再需要擔心單獨的元件。

此外，考慮到現代開關穩壓器工作在幾百赫茲，帶來電感器靠近其他元件可以縮短信號走線，從而減輕了EMI的挑戰。

制造工程師也更加滿意，因為拾取放置機器有一個不那么棘手的組件印刷電路板（PCB）。

例如，凌力爾特提供LTM4601 DC-DCμModule（圖4）。該模塊集成了開關控制器，MOSFET，電感器和所有支持組件。該器件采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封裝。 LTM4601在4.5至20 V的輸入電壓范圍內工作，支持0.6至5 V的輸出電壓范圍。只需大容量輸入和輸出電容即可完成設計。

圖4：凌力爾特公司的DC-DCμModules采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封裝，提供PSIP。

Intersil提供的ZL9117M作為PSIP替代產品。該DC-DC，非隔離負載點電源模塊集成了數字PWM控制器，功率MOSFET，電感器以及完整解決方案所需的所有無源元件。 ZL9117M可在寬輸入電壓范圍內工作，支持0.6至3.6 V的輸出電壓范圍（圖5）。

圖5：Intersil的ZL9117M將電感器和所有其他無源器件集成在一起，形成完整的DC-DC轉換器解決方案。

Delta的Delphi NE系列是另一種PSIP替代方案。該公司聲稱該產品系列支持3.3,5,8,6.6和12 V總線電壓負載點應用，并且在垂直或水平安裝的通孔微型封裝中提供高達6A的輸出電流。

小型化

設計人員準備在集成所有電源組件（包括電感器）的模塊中權衡效率，如果空間不足和制造簡單是關鍵因素他們的設計。制造商正在穩步推出可滿足不斷增長的需求的模塊。

在閉門造車之后，一些芯片供應商正致力于開發真正的“電源片上系統”（SoC）。這些器件將所有內容（包括磁性元件）集成到一塊硅片上。這是一項艱巨的挑戰，因此人們不應期望在分銷商處看到這些設備。然而，物理學已經被征服了，所以在芯片制造商研究如何將該技術商業化之前，這只是一個時間問題。