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無電感器的開關調節器
從前基于電感器的開關調節器(SRs)被認為是最佳的電源架構。但如今對于低功率和高集成度的電子系統來說，基于嵌入式電感器的SR具有多個約束，而這些約束都能利用無感架構予以克服。本文基于實現成本(BOM和引腳數)及性能(效率，噪聲及可靠性)，針對上述兩種架構提供了量級并進行了定量比較。
實現成本和BOM清單
基于電感器的調節器(圖1)的第一個也是最重要的一項約束就是成本和電感器尺寸。絕大多數情況下，電感器支配了集成SR的成本和尺寸。為了解決該問題，負責成本預算的消費產品設計師試圖選用便宜的功耗大的電感器，但這將會降低功率效率。例如，如果在基于電感的SR中選用便宜的電感器來代替低ESR(等效串聯電阻)電感器，將會損失高達10%的效率。從而基于電感的SR的優點將不復存在。
圖1：普通的基于電感的升壓(a)降壓(b開關調節器。
另一方面，無感SR(圖2)只需要采用一個或兩個小型且便宜的陶瓷電容器(飛跨電容Cf1和Cf2)來代替昂貴的電感器。事實上，對于給定的輸出電容，電感器的成本大約是飛跨電容的5-10倍，且體積比也達到了5-10倍甚至更高。
圖2：普通的無感開關調節器(a)，帶有飛跨電容的普通無感開關調節器(b)。
小電流時(<25mA)，甚至可以把飛跨電容集成到硅片內，從而為高效率集成轉換提供極高的集成度。此時調節器只需要一個外接輸出電容器。
在許多已出版的有關采用嵌入式電感的集成SR的資料中都已明確地指出，這類SR需要采用非常高的開關頻率，最終都落入人們的注意力之外，原因在于效率低，硅片尺寸大，還需要射頻工藝。
還需注意的是，為了確保調節環路穩定和最佳性能，通常還需要外部元器件來補償由LC濾波器(電感器和輸出電容器構成)所形成的共軛極點。而在無感調節器中則無需補償，從而減小了無源元器件的成本。
所需的引腳數可能是無感方案中的主要問題。從圖1和2中可以看到，基于電感的SR需要4個引腳(VIN，VOUT，VX，和GND)，而無感SR中則需3-7個引腳(VIN，VOUT，Cf11，Cf12，Cf21，Cf22，和GND)，具體要取決于輸出電流容量和VIN與VOUT的比值。
同樣如上所述，在電感式解決方案中需要外部無源元件，這通常需要另外2個引腳。
總起來，電感式解決方案需要4-6個引腳，而無感方案則需要3-7個引腳。
性能和效率
無感SR，也叫做電荷泵(圖2)，眾所周知，當輸入電壓可變時，其效率要低于電感式解決方案。但自從多模無感SR產品開發出來后，上述這種說法就不再成立了。這種方案在一般的電池電壓范圍內，所提供的平均效率與電感式SR相類似。
的確，在電荷泵轉換器中，可利用多種拓撲結構來實現不同的轉換比。例如，對于采用2個飛跨電容和不同開關模式的無感SR，可以實現11種電壓轉換比：即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今可以實現在所有這些轉換比之間進行自動選擇的無感SR。效率為：
通過監控VIN和VOUT可以發現，SR將自動選擇合適的轉換比，根據VIN/VOUT工作點實現最高效率。例如，圖3所示即為在2.6-5.5V的輸入電壓范圍內以及針對兩個不同的輸出電壓值，帶有兩個飛跨電容器的無感SR的效率曲線。
可見，這類的SR可以在整個輸入電壓范圍實現高于80%的平均效率，很顯然這與電感式解決方案所能實現的效率處于相同的范圍。同樣，對于像VIN=5V與VOUT=3.3V(USB電源線到I/O或模擬電壓領域)這樣的固定轉換比，效率可以高達85%。
圖3：無感開關調節器中效率與輸入電壓的關系。
由于便攜式電子系統中有多種操作模式，系統和不同子模組的電流消耗的變化很大。為這些子模組供電的SR必須在很寬的電流范圍上實現高效率。因此，效率的另一個重要方面是其如何響應SR負載電流的變化。絕大多數電感式SR采用一個PWM調整環路。這種方案在負載最重時可以實現高效率，但當負載減輕時其效率迅速下降。
圖4顯示了在PWM電感式SR中效率對負載電流的依賴性。圖中可見，輕負載時效率迅速下降。為了在較輕負載時維持效率，通常電感式SR采用耗能較小的解決方案，如PFM或PSM(脈沖跳頻調制)。但是這類調制方案的缺點是嚴重地降低了SR的調節性能，還大大增加了固有的輸出噪聲。
圖4還顯示了電感器的ESR對最大可實現效率的影響。為了真正實現電感式SR提供商的數據手冊中所標明的效率，就必須采用超低ESR的電感器，但這種電感器總是既大又貴。事實上，出于成本約束方面的原因，系統或生產工程師常常是尋找便宜的電感器。因此，電感式SR在較高的電流輸出范圍內(IOUT的10%-100%)的平均效率常常是位于80%到85%之間，如圖4所示。實際上，電感式方案的平均效率已經降到了相對于無感SR方案中體積又小、價格又便宜的陶瓷電容器來說，即便是采用便宜的電感器，其尺寸和成本也顯得很不值得的程度。
無感式SR在輕負載情況下也會有同樣的效率損失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3這類產品，采用了創新的調整方案，減小了隨著負載減輕時SR的功率損失，同時能夠將效率保持在最佳-即滿負載時的99%，而調整性能和噪聲性能也沒有任何損失。
圖4：PWM電感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3無感式SR(b)的效率與負載之間的關系，工作條件為VIN=3.3V&VOUT=1.8V。 從前基于電感器的開關調節器(SRs)被認為是最佳的電源架構。但如今對于低功率和高集成度的電子系統來說，基于嵌入式電感器的SR具有多個約束，而這些約束都能利用無感架構予以克服。本文基于實現成本(BOM和引腳數)及性能(效率，噪聲及可靠性)，針對上述兩種架構提供了量級并進行了定量比較。
實現成本和BOM清單
基于電感器的調節器(圖1)的第一個也是最重要的一項約束就是成本和電感器尺寸。絕大多數情況下，電感器支配了集成SR的成本和尺寸。為了解決該問題，負責成本預算的消費產品設計師試圖選用便宜的功耗大的電感器，但這將會降低功率效率。例如，如果在基于電感的SR中選用便宜的電感器來代替低ESR(等效串聯電阻)電感器，將會損失高達10%的效率。從而基于電感的SR的優點將不復存在。
圖1：普通的基于電感的升壓(a)降壓(b開關調節器。
另一方面，無感SR(圖2)只需要采用一個或兩個小型且便宜的陶瓷電容器(飛跨電容Cf1和Cf2)來代替昂貴的電感器。事實上，對于給定的輸出電容，電感器的成本大約是飛跨電容的5-10倍，且體積比也達到了5-10倍甚至更高。
圖2：普通的無感開關調節器(a)，帶有飛跨電容的普通無感開關調節器(b)。
小電流時(<25mA)，甚至可以把飛跨電容集成到硅片內，從而為高效率集成轉換提供極高的集成度。此時調節器只需要一個外接輸出電容器。
在許多已出版的有關采用嵌入式電感的集成SR的資料中都已明確地指出，這類SR需要采用非常高的開關頻率，最終都落入人們的注意力之外，原因在于效率低，硅片尺寸大，還需要射頻工藝。
還需注意的是，為了確保調節環路穩定和最佳性能，通常還需要外部元器件來補償由LC濾波器(電感器和輸出電容器構成)所形成的共軛極點。而在無感調節器中則無需補償，從而減小了無源元器件的成本。
所需的引腳數可能是無感方案中的主要問題。從圖1和2中可以看到，基于電感的SR需要4個引腳(VIN，VOUT，VX，和GND)，而無感SR中則需3-7個引腳(VIN，VOUT，Cf11，Cf12，Cf21，Cf22，和GND)，具體要取決于輸出電流容量和VIN與VOUT的比值。
同樣如上所述，在電感式解決方案中需要外部無源元件，這通常需要另外2個引腳。
總起來，電感式解決方案需要4-6個引腳，而無感方案則需要3-7個引腳。
性能和效率
無感SR，也叫做電荷泵(圖2)，眾所周知，當輸入電壓可變時，其效率要低于電感式解決方案。但自從多模無感SR產品開發出來后，上述這種說法就不再成立了。這種方案在一般的電池電壓范圍內，所提供的平均效率與電感式SR相類似。
的確，在電荷泵轉換器中，可利用多種拓撲結構來實現不同的轉換比。例如，對于采用2個飛跨電容和不同開關模式的無感SR，可以實現11種電壓轉換比：即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今可以實現在所有這些轉換比之間進行自動選擇的無感SR。效率為：
通過監控VIN和VOUT可以發現，SR將自動選擇合適的轉換比，根據VIN/VOUT工作點實現最高效率。例如，圖3所示即為在2.6-5.5V的輸入電壓范圍內以及針對兩個不同的輸出電壓值，帶有兩個飛跨電容器的無感SR的效率曲線。
可見，這類的SR可以在整個輸入電壓范圍實現高于80%的平均效率，很顯然這與電感式解決方案所能實現的效率處于相同的范圍。同樣，對于像VIN=5V與VOUT=3.3V(USB電源線到I/O或模擬電壓領域)這樣的固定轉換比，效率可以高達85%。
圖3：無感開關調節器中效率與輸入電壓的關系。
由于便攜式電子系統中有多種操作模式，系統和不同子模組的電流消耗的變化很大。為這些子模組供電的SR必須在很寬的電流范圍上實現高效率。因此，效率的另一個重要方面是其如何響應SR負載電流的變化。絕大多數電感式SR采用一個PWM調整環路。這種方案在負載最重時可以實現高效率，但當負載減輕時其效率迅速下降。
圖4顯示了在PWM電感式SR中效率對負載電流的依賴性。圖中可見，輕負載時效率迅速下降。為了在較輕負載時維持效率，通常電感式SR采用耗能較小的解決方案，如PFM或PSM(脈沖跳頻調制)。但是這類調制方案的缺點是嚴重地降低了SR的調節性能，還大大增加了固有的輸出噪聲。
圖4還顯示了電感器的ESR對最大可實現效率的影響。為了真正實現電感式SR提供商的數據手冊中所標明的效率，就必須采用超低ESR的電感器，但這種電感器總是既大又貴。事實上，出于成本約束方面的原因，系統或生產工程師常常是尋找便宜的電感器。因此，電感式SR在較高的電流輸出范圍內(IOUT的10%-100%)的平均效率常常是位于80%到85%之間，如圖4所示。實際上，電感式方案的平均效率已經降到了相對于無感SR方案中體積又小、價格又便宜的陶瓷電容器來說，即便是采用便宜的電感器，其尺寸和成本也顯得很不值得的程度。
無感式SR在輕負載情況下也會有同樣的效率損失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3這類產品，采用了創新的調整方案，減小了隨著負載減輕時SR的功率損失，同時能夠將效率保持在最佳-即滿負載時的99%，而調整性能和噪聲性能也沒有任何損失。
圖4：PWM電感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3無感式SR(b)的效率與負載之間的關系，工作條件為VIN=3.3V&VOUT=1.8V。
總之，圖3和圖4明確地顯示了當根據效率來選擇SR時，還要進一步考慮在最大負載條件下的可實現效率，以及隨著系統中不同工作條件下(VIN，VOUT，IOUT)的效率變化。
一個重要的應用判據是SoC電路電源可以接受的噪聲。調節器所提供的電壓源有兩個貢獻源：一是從調節器輸入耦合到輸出上的噪聲，被稱作為PSSR(電源抑制比)，另一個則是調節器自身的固有噪聲。只要調節器具有足夠的帶寬和開環增益，無論是電感式還是無感式SR都能實現很高的PSSR。然而，這些調節器的開關特性是的固有噪聲(調節器自身產生)成為主導噪聲。因此首選的就是要選擇固有噪聲最小的SR。
圖5給出了無感式和電感式開關調節器的固有噪聲(包括閃爍噪聲和熱噪聲以及輸出紋波)。這兩種結構都在開關頻率fsw與其諧波上呈現較高噪聲。如果SR的負載對某些頻率敏感，則SR開關頻率必須位于該敏感頻率范圍之外。
圖5：電感式SR的輸出噪聲特性。
對于電感式SR，在由電感和輸出電容構成的LC濾波器諧振頻率附近還分布著附加噪聲。該頻率為：
許多便攜式應用中所需的L和C值，會構成一個LC濾波器，通常其諧振頻率會落入音頻或視頻范圍內。如圖5所示，這類LC槽路的噪聲幅度通常會超過SR白噪聲，從而會改變像音頻放大器這類敏感的模擬負載的性能。
減小開關固有噪聲的幅度可以通過增加輸出電容值來實現。不過，這將會把LC濾波器的諧振頻率移入敏感的音頻段的更深處。
襯底噪聲
電流紋波是流經電感器(圖7)的電流的峰峰值，定義為：
人們為什么希望降低電流紋波？有三個主要原因：即降低輸出電壓的紋波，降低襯底電荷的注入，以及在更大的輸出電流范圍被保持最佳的效率。
第一個原因是相當清楚的，因為電感式SR的輸出電壓紋波與流經電感器的電流紋波成正比。
要理解第二個原因，需要回顧一下電感式SR的基本原理。為了簡單化，我們采用電感式降壓SR作為例子。但要注意這里所討論的概念也同樣適用于電感式升壓SR。可以將其分為兩大類(圖6)：即異步(a)和同步(b)調節器(也有一些從這兩大類中派生出來其他類型，但這不屬于本文討論的范疇)。這兩類SR之間的主要差別在于二極管的用法，而并非開關的用法，在異步方案中，
圖6：異步(a)和同步(b)電感式開關調節器。
異步SR有一個主要優點，即比較簡單，但由于二極管耗散了許多功率，從而無法實現高效率。另一方面，要利用同步SR獲取高效率，兩個開關必須不能同時導通。于是，必須采用非重疊的電路。
在非重疊期間，兩個開關都處于關斷狀態，流經電感器的電流在兩個開關圖(6b中的VX)之間建立起一個電勢，該電勢將會激活開關的體二極管，并將電流直接注入到襯底中。這將產生襯底噪聲，而且當SR的布線不好時，會增加閉鎖的出現概率。顯然，電流紋波越大，注入到襯底的瞬態噪聲也就越大，這將引起很大的地噪聲。此外，要評估或者仿真這類噪聲對轉換器乃至整個系統的影響是極其困難的。
消除這一問題以及潛在危險狀態的唯一方法是在Vx上增加一個外部低Vth的肖特基二極管。該二極管將會在開關的體二極管之前被激活，從而消除了襯底電流注入。但這將增加BOM成本，且這一問題本來就已經是電感式SR的一個致命缺點了。
另一方面，在無感式SR中，注入到襯底中的噪聲唯一來源是通過寄生電容的耦合而產生。因此，無感式SR產生的襯底噪聲不會高于任何工作在同一時鐘頻率上、同等規模的數字電路所產生的噪聲。就襯底噪聲而言，集成一個無感式SR不會比集成一個CMOS邏輯塊更危險。
圖7：同步開關調節器的特性。
占空比諧波擴散噪聲
電感式SR中利用一個PWM環路進行調節。這意味著輸出電壓紋波占空比將隨工作條件而變化。于是，諧波失真不太好定義，它將隨著VIN，VOUT，以及IR而改變。而無感式SR不受PWM的控制，而是利用線性調節，于是在輸出端總能保持穩定的50%占空比。
EMI噪聲
采用電感式SR的另一個不便之處是其潛在的EMI，這將隨著系統的其他部分而產生。在PCB上有開關式電感器，基本上都會輻射圖5所示頻譜的電磁波。敏感的RF或模擬電路性能將會把此電磁現象大大改變，況且還極難預測或仿真。
SR也可能成為其他的電磁干擾源的受害者，因為這些干擾源將會通過電感器把噪聲耦合到VOUT上。這是另一種難以預測和仿真的噪聲源。
這些EMI問題可以通過屏蔽式電感器來解決，但不幸的是這又要增加成本，屏蔽式電感器要比非屏蔽式更貴。
可靠性
如圖7中所示，節點VX上的勢能可能達到VIN+Vth或-Vth。這將會產生高壓，從而導致長期的可靠性問題。當SR的供電電壓高于工藝技術所規定的電壓(如4.2V鋰電池)時，情況將會更糟。而這種‘超’壓問題在無感式SR中將不會存在，從而將具備更高的電壓可靠性，或者說更容易進行保護。
結論
下表總結了低功耗、高集成度的便攜式電子系統中所用的電感式和無感式集成SR的優缺點。
總之，我們堅信無感式開關調節器將提供一個更具成本效益的解決方案，可以替代傳統的電感式開關調節器，集成到便攜式消費電子設備所用的SoC中。
工商網監
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