技术浅谈：DC/DC转换器中电感器对待机时间的影响

DC/DC是开关电源芯片。开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电感里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。我们常用的DC-DC产品有两种。一种为电荷泵(Charge Pump)，一种为电感储能DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。

相比较前几年2.8V~3.3V的核心电压需求，近来越来越多的芯片可以在1.2V~1.8V的低压下顺畅运行。这样，在主要使用锂(聚合物)电池或镍氢电池作为系统工作能源的便携式产品中，选择合适的电压转换器成为设计者们需要考虑的因素。低压差线性稳压器(LDO)由于工作电压的降低，输入电压和输出低电压间的落差越来越大，线性稳压器在电压转换过程中产生了很大了能量损耗，以致其效率甚至可能低至50%以下。更多的设计者开始倾向于降压型DC/DC转换器。

对于在DC/DC开关转换器中电感选择的考虑因素，通常情况下，尺寸、等效电阻和电流容量决定了电感的选取，也可以包括成本、交货期和技术支持等设计外因素;并且通常认为在相同条件下，为了降低电感器件的内部损耗，选用更小的ESR(等效串联阻抗)值的电感器为最佳。但实际情况需要更多考虑，本文试图给出更佳的折衷考虑。

电感器能产生电感作用的元件统称为电感原件，常常直接简称为电感。它是利用电磁感应的原理进行工作的。作用：阻交流通直流，阻高频通低频(滤波)，也就是说高频信号通过电感线圈时会遇到很大的阻力，很难通过，而对低频信号通过它时所呈现的阻力则比较小，即低频信号可以较容易的通过它。电感线圈对直流电的电阻几乎为零。电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化;可是当在线圈中通过交流电流时，其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电磁感应定律-磁生电来分析，变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势，此感应电势相当于一个"新电源".当形成闭合回路时，此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止磁力线的变化的。电感器的损失来自于其直流阻抗(Rdc)和交流阻抗(Rac)。直流阻抗是由线圈的线径、线圈长度所决定，交流阻抗则是铁氧体磁芯和GAP部的漏磁束和铜线相互锁交所产生的涡流电流损失。一般在DC/DC工作时，考虑流过电感器的电流，对直流电流损

失的部分用Rdc×Idc表示;对交流电流所损失的部分则用Rac×ΔI来表征。通过电感器的电流流量振幅ΔI很大、Idc很小的情形下，即使直流阻抗很小，但如果交流阻抗较大，它的效率就会下降;相反即使直流阻抗很大，交流阻抗如果很小，它的效率也有可能会上升。

电感输出电流(Iout)较小的情况下，通过电感器的平均电流非常小，直流阻抗Rdc稍有不同时直流阻抗部分的损失都较小，但电流振幅(ΔI)不同就会影响着交流阻抗部分的损失功率。当Iout大的时候，则通过电感器的平均电流较大，直流阻抗Rdc的不同会导致较大的损耗差异，相比之下交流阻抗的功率损失不是主要因素。

图1是某GSM制式手机在待机情况下的耗流波形图，正是Idc很小而电流流量振幅ΔI较大的情形。基于上述结论替换交流阻抗较小的电感后，平均待机电流由2.4465mA降低到了2.1337mA.平均待机电流减少了12.8%，这意味着可以将手机的待机时间延长14.7%.那么对直流阻抗较小的电感而言，其价值如何体现?它适合于Idc很大而电流流量振幅ΔI较小的工作模式，这正是用户在使用如通话、多媒体播放、游戏、GPS导航等功能时便携式产品所处的工作环境，此时可以期待直流阻抗较小的电感会带来更长的使用时间。不过由于平均电流都比较大，一定程度的改善并不会对实际使用时间造成多少差别，反而我们相信更长待机时间的诱惑可以让设计者对使用时间做出牺牲。

用于3G的下一代数字处理器正在向90纳米和65纳米工艺技术演进，这将使供电电源降低到接近1V，我们在系统级的电源设计中将更多的见到DC/DC转换器的身影。对待机时间和使用时间的平衡是设计者在设计过程中需要不断面对的折衷考虑之一，而对待机时间的重要影响值得我们对电感器做出仔细挑选。