完全集成的直流-直流轉換電源IC器

在不久的過去，電源的幾乎每個組件都是一個分立單元，從控制器電源IC到MOSFET以及周圍的一切。僅僅布置電路板是困難和耗時的，設計中的任何更改都會在重新設計過程中引起頭痛。此外，設計人員不得不擔心將控制器與柵極驅動IC（也必須定制設計）以及磁性元件耦合。電源設計的下一階段是將控制器、柵極驅動和MOSFET集成到單個硅芯片中，這要簡單得多。然而，人們仍然必須將此芯片連接到外部電感器，這在歷史上太大而無法集成。

電感器尺寸是工作頻率的函數。顯然，制造足夠小的電感器以集成在芯片上的關鍵是增加轉換器的開關頻率。通過最近在MOSFET設計方面的專有創新，上升和下降時間特性的顯著改進使開關頻率比目前可用頻率提高了一個數量級。由此導致所需電感和元件尺寸的下降提供了設計突破，使電感器能夠完全集成到電源IC封裝中。

將電感器引入封裝內部的障礙是其價值。通常，如果電源以500kHz至1MHz的頻率運行，則需要一個相當大的電感器。但是，如果調高頻率，使功率級（控制器、柵極驅動、MOSFET）能夠承受高頻并保持高效，則電感器尺寸可能會減小。提高頻率的挑戰是隨著頻率的上升而保持整個轉換器效率的能力。實現這一目標的回報是DC-DC轉換器的尺寸大大縮小。

做數學運算

以下幾點提供了降壓轉換器電感器的物理尺寸與其開關頻率之間相關性的一階經驗推導。

第1點：尺寸是電感的函數。

電感器的電感值是元件物理參數的函數：N=線圈匝數，A=磁芯橫截面積，l=磁芯的磁路長度：

通常，磁芯的A/l值與其大小成正比。減少匝數N或A/l值的能力取決于降低必要的電感值，L（μ是磁性材料的磁導率常數）。

第2點：產生電壓所需的電感與開關頻率成反比。

對于給定的電流和電壓，所需的電感值L由基本方程推導出來：

（公式1）

其中V=輸出電壓，Δt=關斷時間，Δi=通過電感的紋波電流。上述公式來自法拉第定律，并假設電感電流的斜率在關斷時間內是一個常數。電感器求解：

（公式2）

通常，紋波電流Δi在設計中固定為滿載輸出電流的一定百分比。對于給定的紋波電流和輸出電壓V，焦點通過較短的開關周期降低關斷時間Δt，從而降低必要的L值。因此，MOSFET開關周期的縮短（頻率的增加）是降低所需感應L的數學關鍵。

第3點：MOSFET功耗隨開關頻率而上升。

MOSFET開關頻率增加的極限可以在MOSFET半導體設計的物理特性中找到。

當MOSFET關閉時，其兩端有電壓，但幾乎沒有任何電流流過它。當它接通時，電流流過它，但兩端的電壓很小，導致導通損耗，這與工作頻率無關。MOSFET在開/關和關/開開關轉換期間發生的能量損失是MOSFET中同時存在大量電流和電壓的結果。這稱為開關損耗，轉換器的每個開關周期都會發生兩次。對于每個開關躍遷，損失的能量Es由以下表達式給出：

（公式3）

其中T1是開/關或關/開切換轉換的持續時間。

它認為，開關發生的頻率越高，消耗的總能量就越多——開關損耗隨著頻率的增加而增加。

為了簡化討論，我們假設導通和關斷轉換期間損失的能量彼此相等，并且兩個轉換時間都等于T1。因此，總開關功率損耗Ps由下式給出：

（公式4）

其中1/Ts是頻率。該方程表明，對于過渡期間給定的V和I特性，功率耗散Ps隨著頻率1/Ts的上升而上升。

第4點：縮短上升/下降時間允許更高的開關頻率，而不會產生不可接受的功率損耗。

公式3顯示了在任何特定轉換期間（即MOSFET打開或關閉時）消耗的能量。由于半導體設計創新允許更短、更高效的T1倍，因此過渡期間的功耗得以降低。相應地，隨著T1的下降，頻率可以上升而不會損害功耗。

通過創建具有高效T1轉換時間的MOSFET，能夠將開關頻率提高到5MHz至10MHz，并將所需的電感L降低一個數量級，從而將電感的物理尺寸減小到可以集成在控制器封裝內的尺寸。較高開關頻率的另一個優點是可以增加環路帶寬，從而比以前的低頻DC-DC轉換器產生更快的瞬態響應。這種高頻設計實現了超過700kHz的環路帶寬。

為了實現更快的過渡時間，使用了橫向MOSFET技術而不是溝槽技術。溝槽和橫向MOSFET之間的差異主要在于寄生電容的降低，這些寄生電容被換成導通電阻。我們的設計針對需要高速轉換的特定應用進行了優化。優化過程很長，并且受到許多半導體工藝步驟和器件設計考慮因素的影響，例如每個加工步驟的在線良率，以及所需的器件可靠性標準，例如氧化物完整性和壽命。

溝槽器件以增加柵極電荷為代價提供出色的電池密度，而橫向器件以犧牲電池密度為代價提供較低的柵極電荷。擊穿電壓也是這種權衡的一部分，因為擊穿電壓越高，開關速度越低。這種效應可以在一定程度上被電阻效應占主導地位的通道和漏極區域的設計所抵消。

雖然傳統的DC-DC轉換器工作在250kHz附近，并且更雄心勃勃的器件在1MHz左右循環，但這里描述的方法可實現5MHz至10MHz范圍內的開關頻率 - 比傳統轉換器提高了一個數量級以上。由于開關頻率的增加，因此需要很少的電感，并且可以使用微機電系統（MEMS）技術構建電感器。

基于MEMS的電感器設計由一個厚的電鍍銅（Cu）螺旋線圈組成，該線圈夾在兩個平面磁層之間。開發了專有磁性合金，以滿足高電流下高運行速度的技術要求。

電感器制造過程從底部磁芯及其絕緣開始。然后，銅線圈被圖案化并電沉積。最后，頂部磁芯沉積在覆蓋Cu線圈的電介質層的頂部。電感器制造工藝是一種CMOS兼容工藝，采用基于MEMS的厚光刻和電沉積技術。

由此產生的電感器可以集成到交鑰匙DC-DC轉換器封裝中。這種電感器和硅的共封裝使電路設計人員能夠大幅降低電路板空間要求，同時縮短開發時間并降低物料清單成本。

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