功率电感在智能手机中的应用
【2012智能手机开发者论坛精彩笔录】

中心议题：
       * 智能手机中的功率电感
       * SMPS性能与功率电感参数
       * 顺络电子的功率电感
       * Buck和Boost功率电感使用要点

本文整理自深圳顺络电子股份有限公司FAE经理张扬在2012智能手机、平板电脑与LED照明开发者论坛上的演讲

（张杨）：非常感谢我爱方案网给我这个时间，刚好人比较多一点。今天我演讲的主题是功率电感在智能手机上的应用，这是今天要讲的主要内容。

这一条是顺络电子在成立12年来的一个发展历程，这里就挑最重要的讲一下。我们是一家上市公司，目前在全球的贴片电感行业是处于前三强的地位。我们的产品其实基本上都是针对智能手机、平板电脑这些便携式的消费类产品。主要包括有EMC的产品，有铁氧体磁珠、滤波器、共模扼流器，然后是微波器件，主要是用在视频的蓝牙，还有WI-FI这一块的推荐滤波器。另外是电感，包括功率电感，然后陶瓷电感，另外是敏感类的产品，包括ESD的保护器件，另外还有一些温度保护器件，最后一项是钽电容的产品。

智能手机中的功率电感
我们知道现在智能手机的功能是越来越强大，芯片有高度集成，这样低压大电流的一个供电方式是必须的，这样能够使芯片出于安全的工作状态。而采用的低压大电流，在线路上它的线路损耗会非常大。如果还采用以前传统的一站式的供电方式，线路上的功耗太大了，手机的续航时间可能会受到非常大的影响。所以现在一般都会采用POL的供电方式，在需要用电的一些芯片位置建一个变电站，将高压的电压转换成低压的大电流的能量，这样才能够给那些IC供电。



在电压转换的过程中，开关型的电源，SMPS这种方式由于它的高效率已经得到了非常广泛的使用。我们可以看到这是一个手机板，这里有几个SMPS的芯片，可以看到它周围密密麻麻分布着总共有14颗功率电感。对于手机来说，功率电感就会有一些限定的要求，不像其他的电子产品要求比较松。手机上面首先尺寸，一定会要求比较小。

另外，随着现在的PMIC的频率越来越高，所以对电感量的要求相对会降低一些，一般会集中在4.7mV以下。另外，由于手机中的LED背光驱动是需要一个升压的（1：26：32所以也会有比较大电感的一个要求？）对于芯片，尤其是主芯片那一块，耗电厉害，所以一般电流会比较大，但是目前来看也还在好2安培以内。另外一块是背光那一块的，一般也在500mA以内。厚度这一块，一般会要求功率电感厚度要小于1.2毫米。


SMPS性能与功率电感参数
再进一步来看看SMPS的情况，首先一个电池，它给过来之后在各个用电的部位都需要加一个变电站来给它供电，其中有一些位置，比如说通讯模块、信号处理模块这些一般都是采用低电压的工作方式。

我们这里可以看一下，把这个开关和这个二极管放在一起，它就是一个PMIC，像这里也是，开关和二极管放在一起就是一个PMIC，外面搭配一些简单的电感和电容就可以了。

下面这个公式指的是它的变压还有电感上纹波电流的一个理论公式，说到SMPS和功率电感，我们看看功率电感的一些参数，它怎么样影响SMPS的性能。它最重要的性能我想各位也非常清楚了，就是怎么样把这个转换效率提高。

说到转换效率，我们现在主要是分析一下这个过程中它能量的损耗到底哪里去了，我们可以看到这是一个降压型的开关，这个过程中包括一个MOS管，一个二极管，然后电感、电容，最后是负载。这个过程中其中这边的四个是SMPS是系统上面必须要有的，主要的损耗也就来自于它们。包括有MoS管传导损耗和开关损耗，然后二极管的通道损耗和开关损耗以及电感的损耗和电容的损耗。 

MOS管损耗，一般来说我们简单来计算，在MOS上的一个平均电流乘以这个MOS管导通的电阻，另外乘一个开关，就是MOS管闭合的这一个时间所占比率。因为MOS管的电流不是一个很平稳的电流，它是一个现象线性上升的电流。在这个线性上升的过程中实际上有额外的一个的因子，就在这个地方，就是它的峰峰值的频宽除以12位这样一个东西在里面，实际上采用这种方式计算的损耗会相对小一点。

功率电感在这个地方就会影响这个峰峰值的收集，如果功率电感在偏执电流电感量比较大的话，这个数值就会比较小，这样话MOS管的传导损耗就会比较小一些。

另外一部分是MOS管的开关损耗，我们知道在进入低负载状态下的时候，MOS管，就是PMIC会把它切换成PFM模式。在这个过程中，如果采用大的电感量的功率电感，它实际上可以降低这个开关的频率，因为它每一个周期能够储存更多的能量，所以它可以把这个周期时间延长，降低频率，这样是可以降低MOS管的开关损耗的。
第二个部分是讲二极管的损耗以及它跟电感参数的关系。二极管的损耗在传导损耗这一块会跟MOS的传导损耗有点差异。它的一个计算方法是这里电流不是以平方的关系出现，就用一次方，这样直接采用平均值来计算就可以了。因此一般来说，二极管的传导损耗跟电感参数是没有太多关系。另外这里提醒一下，由于二极管的传导损耗一般会比MOS的传导损耗会大一些，也就是说如果输入电压比输出电压大很多，占空比比较小，二极管处于导通的时间会比较长，这样整体的一个效率会相对低一点。

另外一部分是二极管的开关损耗，这个跟MOS的开关损耗比较类似，也是有一个频率这样在里面。如果是采用大的功率电感，它能够降低这个频率，可以降低在低负载状态时候的损耗。
   
这里把电感的损耗和电容的损耗放在一起，电感的损耗也包括有它的直流损耗和交流损耗两部分，直流损耗这里跟MOS管的传导损耗基本保持一致，实际上也可以看到它有一个电流峰峰值的参数在里面，也同样是在偏置状态下电感量是有明显关系的。另外交流损耗很多时候是没有办法直接计算，但是我们可以直接看到电感的交流电阻，如果电感交流电阻边小的话，损耗是越低的。
    

最后一部分是电容损耗，在这个地方它跟电感没有太大关系，只跟电容下的电流以及它的电容的有效串联电阻有关系。这里是我们实测的比较经典的几个PMIC它的一个效率。我们这里看到三条曲线，分别是采用2.2微伏和1.5微伏这样的电感它所获得的效率的一个情况。
   
这个地方说的是在偏置状态下的电感量，有一些功率电感因为它饱和电流比较差，实际上在大电流的时候它的电感量已经降到很低了，在已经把那个因素刨掉了，另外也把功率电感直流电阻，还有交流电阻这一块的东西已经刨掉了，这里只有一个电感量是有差异的，可以看到如果电感量小的话，它的效率会低很多。虽然这个是升压的电路上，如果选用一个小的电流量的产品，会对这个SMPS这块的效率产生很大影响。

总体来看，目前的SMPS的效率基本上都会在80%到90%之间，多余的能量到底消耗到哪里去了呢？很明显是发热的形式给消耗掉了，这个发热可以跟线路上电感上面的电流的纹波有很大关系。很多事实可以看得到，基本上如果你的输入、输出固定了话，电感这个纹波值跟电感成反比关系。

从这个图上可以看到，如果采用不同的电感，采用大的电感，这个斜率是会比较小的，而采用小的电感斜率会比较大，这样的话如果采用一个非常小电感，很有可能会导致斜率非常小，而在电流的谷底，已经降到了0以下了。

我们一般算容量就看这个面积，这个面积会比上面这两种情况面积要大一些，实际上它要输出是一样的，多余的能量实际上就耗在这个地方了。它可能出现一个振荡，因此把能量给消耗掉了。这样实际上输出获得的非常少，多余的能量，输出电流能耗急剧增加会产生一个剧烈的发热。

另外，很明显，如果采用小的电感，也就是在偏置下电感量下降太厉害的电感，这个电流的纹波会非常大，导致电流的峰值非常高，这样会对PMIC以及整个系统带来一些失效的风险。
   
最后一部分，这个是我们一个实测的情况。采用不同大小的电感而要输出一个比较大的功率的时候，采用小的电感，它是需要比较大的输出电压。因为如果采用小的输出电压的话，那个电流已经没有办法维持，像这里的700mA这样的一个输出。这是什么意思呢？如果是在偏置电流下面如果具有比较高的电流量，可以在相对较低的输入电压的时候保持比较高的输出功率。也就是说采用高值、高饱和特性的电感可以使智能手机在电池电压比较低的时候仍然能够正常工作，这样也是另外一种延长待机时间的方法。 
顺络电子的功率电感
接下来进入第四部分，是重点要介绍的顺络电子的功率电感。主要包括两种类型，一种是绕线型的功率电感，我们的型号叫SWPA或者叫SPH，SPH是SWPA的一个升级型。另外是叠层型的功率电感，叫做MPL。

从性能上面来对比来看，首先尺寸跟厚度，叠层的相对会更容易实现小型化和薄型化。电感量的范围，叠层的相对会长一点，所以它只要是用在给IC供电的那些降压型线路上，一般电流量不会大于4.7微伏。然后在温升电流这一块，叠层性的很容易把这个电阻做好，所以温升电流会更好一些。在饱和特性这一块，叠层的因为受限于它的工艺和材料，它的特性相对差一些。另外一个是大家比较关心的价格，叠层功率电感的价格会非常具有优势。

先看看叠层功率电感，我们采用了在材料技术、设计技术和制造技术方面都进行了一些与普通的叠层电价有一些改进的地方。首先，材料这一块，我们会把它做得更均匀，然后把粉粒做的更细，这样可以看到这是一个SEM的照片，看到它晶粒非常的小，大小非常一致。
 
这样的好处在于三个方面，第一是最重要的，能够提高功率电感的饱和特性，可以看到普通的随着外加磁场的变化而电容量下降的情况。着经过产品的改造以后，它的一个饱和特性会得到极大的提高。

另外，这种材料是交流损耗比较小，这样在使用的时候可以降低它的交流损耗。还有一个是温度特性，我们知道电感在通了电流之后它肯定会发热，温度升高以后，如果电流量下降太厉害，那也是另外一个方面的，就是电流量下降太快的情况，我们的产品温度特性非常稳定，这样能够在高的负载的时候也能够维持相对比较大的电感量。

这个是结构优化的，我们可以使产品内部的磁场更加均匀，能够进一步改善产品的饱和特性，可以看到这两个的差异。
 

第三个方面是制造技术，我们可以采用一些比较比较先进的制造技术，使电极做的又窄又厚，这样它能够在保持比较低的直流电阻的情况下增大这一块的面积，这样也是对于电感的饱和特性是非常具有好处的一个措施，这里是我们目前叠层功率电感的一个参数情况。

下一部分是绕线型的功率电感，也是采用了三个技术，就是复合材料的一个的涂敷技术，另外还有一个是自动化装配的技术。我们可以在涂敷的时候采用一个专利的技术使它涂的更均匀，这样使功率电感的一致性更高。

我们另外还有几块的技术可以使涂敷胶更均匀，可以提高绕线功率电感的饱和特性。另外，我们还承接了国家绕先功率电感自动化生产线研发项目，可以使生产效率非常大的提高。这个是绕线功率电感的特性情况。可以看到基本上（1：42：29  都在1安培以上，有个别型号，像现在最主流的282012尺寸的，它的？）是在两安培。




Buck和Boost功率电感使用要点
最后像各位介绍一下智能手机上功率电感选用的一个要点，对于降压型的功率电感由于一般开关频率相对会比较高，目前看到的基本上在1兆以上，一般选用的电感比较小一些。而考虑到各个部位供电的情况下，这一部分的电流非常大，因此一般我们推荐选用绕线型的功率电感。另外在其他部分电流相对比较小，可以选用叠层型的功率电感，这样价格会更加有优势。

另外升压这一块，手机当中的升压相对比较少一些，最主要的是LED背光驱动这一块。由于频率相对比较低一点，所以会选用22（1：43：24）左右的功率电感，其他的像一些附加的功能相对来说开关频率会比较高，所以选用的电感感值也相对小一点，可以综合考虑性能和价格等一些因素来选择叠层型的或者是绕线型的功率电感，我的内容就到这里，谢谢大家。