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当线性电源和电荷泵最终显示传导开关电压非零时,基于感应器的布局只能在接近零电压运行,此时最小化传导功率损失,因此产生最有效的结果。便携式电子产品如移动电话和媒体播放器的使用寿命依靠于能量怎样有效地从电池传递到负载,在这一点上没有其他电子部件能比得上功率感应器的性能。然而,感应器占有芯片——如果是集成的,和印制板电路(PCB)上非常珍贵的面积,当可行的电感越低,产生的纹波电压供应越大是正常的也是不可接受的。因此,以减少它们尺寸需求的增效器电路技术很吸引人,但仅仅在功率传递保持相对高的前提下。
一、感应器增效器应用于开关DC-DC变换器
为理解感应器增效器的功率意义,在开关降压变换器中讨论是有用的。在这个电路中,如图1所示,两个异相开关交替地引导电流产生方波电压,在这个过程中对一个感应器充电并释放其能量给负载。感应器和电容滤波器将方波平均为模拟DC电压,当它的值与负反馈回路的参考电压相比时,控制和移动数字行列的任务处理周期来操纵开关。因此流过感应器的电流最终成三角形的,因为通过装置的电压是为最大部分数字的,脉冲宽调制的,在一个终端的信号VPWM,它等于零或者DC输入电压VIn,和在另一端的输出VOut,当与DC水平和VPWM's电压摆动相比时,VOut的纹波电压变化可以忽略。负载(IOut)最终沉没了感应器电流IL的平均(DC)部分,在这个过程中,强迫AC纹波电流进入输出电容器,这是VOut中存在小的AC纹波电压的原因。

图1:开关降压buck DC-DC变换器
二、感应器增效器
运用感应器增效器于buck变换器的效果是更小的电容器AC纹波电流。这个通过沉没一部分感应器AC纹波电流来有效地实现,如图2所示,仅仅给电容产生小量的差别(感应器DC电流不变地流入负载)。增效回路LMultiplier 感觉和/或预测AC纹波电流,且产生适当大小的异相信号,主要删除流经过小的片内或封装内感应器的纹波电流,允许仅仅小量AC纹波电压出现在变换器输出。与这种异相电流相关联的功率决定变换器上增效器的效率影响,这个最终决定耐久性。

图2:运用感应器增效器于Buck变换器:LMultiplier 有效地从小的感应器中除去AC纹波电流
三、对功率效率的影响
传统的开关buck交换器苦恼于一连串的能量消耗因素,根本上限制了效率性能。通过功率装置——比如说,尽管很小——的电压是有限且可以计量的,这些装置携带感应器电流的DC和AC两部分。开和关这些功率装置同样需要能量,尤其因为它们本质上是带有相当大的输入电容的大晶体管。虽然感应器和电容器理论上是无损的,但是寄生的等效串联电阻(ESRs)却不是。感应器的ESR和电容器的ESR,当它们携带DC和AC纹波电流时消耗能量,以感应器的情况是这样,而以电容器的情况,只需携带AC纹波电流就消耗能量。由于这些,传统交换器的效率通常在最优负载时达到最高,如图3所示,随着负载电流增加而减少,同时DC电流损失增加(IL-DC2REq 或 IOut2REq),随着负载电流减少,输出功率减少(IOutVOut),AC纹波电流损失和开关损失保持不变(IL-AC2REq 或 ΔIL-RMS2REq)[1]。

图3:带有和不带有感应器增效器的buck交换器的效率性能
四、功率相关
由于增效器只带有AC纹波电流,所以它消耗的功率与负载电流IOut不成比例,而与感应器纹波电流(ΔIL)每点的值成比例,这个值与IOut不相关(也就是,来源于增效器的平均电流为零)。更特殊的是,如图4 [2]和等式1,消耗的功率与VIn和(ΔIL)线性相关,因为获得正纹波电流的装置受到VIn - VOut,沉没负纹波电流的晶体管受到VOut,两者都带有平均纹波电流ΔIL/8:

(1)
最终结果是,如开关和其他AC纹波相关的损失,在重的负载情形下,当负载相关损失(IOut2REq)超过所有其他损失时,限制了通过增效器的额外的功率消耗在效率上的影响。然而,增效器带有一个额外的好处,它使用一个更小的片内或封装内感应器来实现与更大装置一样的精确性能。小的感应器使用更少的线圈,因此存在更低的ESR和ESR相关的损失(IOut2RESR和IL-AC2RESR),这个的结果可能是在更重负载情形下,有更高的整个的变换器效率,如图3中所示。

图4:感应器增效器的输出阶段和伴随的电流传导波形
五、感应器的实践
感应器增效器导致的额外的AC电流纹波相关的损失,其在功率效率上的不好影响在轻载时最严重,这个是便携式应用中的普遍情形。实际上,不连续的印制板电路(PCB)的实现使用相关的成熟的感应器技术(也就是,高电感并带有低ESR值),可能不会从增效器中收获任何好处。除非,增效特征被用作提速的目的,也就是,更好的调节性能以及提高的精确度。举例来说,增效器可能会用来在稳定状态情形下实现低输出纹波电压,由于它只在负载卸载时失效,以至于对低的感应器值反应速度更快。增效特征也能够被用来改变给定输入-输出电压组合的任务处理周期,通过只在切换时间的特殊时刻来增效感应器。这个额外的自由度,可能在阻止极端的任务处理周期情形最有用,但是可能不能充分保证由不连续PCB方案中电路招致的额外的损失。
当芯片内或封装内感应器性能相对弱的时候,感应器增效器在整个集成中的实际好处显现出来。因为使用更细的电线,与这些微细装置相关联的寄生ESR很大,穿过负载电流范围它转化为更低的效率。感应器增效器可以减轻对感应器大小的要求,以至与ESR相关的损失的节省可以补偿额外的增效器损失。当考虑100 nH或更高的片内感应器几乎不可能达到合理的质量因素时,这种选择尤其吸引人;换句话说,带有低的输出纹波电压的完全集成的DC-DC变换器很难实现。当只有低的电感装置可利用和/或与ESR相关的功率损失极端时,整个的集成是什么给感应器增效器带来最大的价值——目前感应器增效器的一个CMOS原型在开发中,以测试和研究这些效果。