互联网 qkzz.net
全刊杂志网:首页 > 女性 > 文章正文
刊社推荐

硅基完全集成DC/DC转换器中多层平面电感设计与建模


□ 李清华 邵志标 耿 莉

  摘要:为提高完全集成低压低功率DC/DC转换器转换效率与输出电流能力,提出了一种多层混联螺旋电感结构,该结构基于标准0.5μm 2P3M CMOS工艺,将下面较薄的两层金属线圈多点并联,再与最上层金属线圈串联。多点并联结构有效地增加了等效金属层的厚度,串联结构增加了线圈之间的互感值,从而可以在不增加额外工艺成本的条件下显著提高平面电感的品质因数、单位面积电感值和电感线圈的电流承受能力,所提出的模型为完全集成DC/DC转换器的整体电路模拟分析提供了便利基础,基于0.5μm 2P3M CMOS硅衬底工艺的模拟计算结果表明,在DC/DC转换器工作频段50~400 MHz,取得了预期电感的设计效果,最大品质因数值达4.2,单位面积电感值达到83 mH/m2,可以承受的电流达90 mA。电感芯片测试结果与模型模拟结果基本吻合。
  关键词:完全集成DC/DC转换器;多层平面电感;建模;品质因数
  中图分类号:TN4 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2007)04-0463-04
  
  在标准CMoS硅基工艺中,片上平面电感器的性能已经成为制约完全集成DC/DC;转换器性能提高和成本控制的瓶颈之一,具体表现在:①完全集成DC/DC;转换器中所需的电感值较高,通常为十几
  纳亨到几十纳亨,这样,单层平面螺旋线圈所占的面积非常显著[1]而在CMOS工艺中,面积与成本成正比;②在CMOS工艺中实现大电感值的平面螺旋空芯电感,品质因数低严重限制了DC/DC;转换器的转换效率[2];③在CMOS工艺中,固定宽度的金属条所能承受的电流大小一定,而电感线圈的电流承受能力决定了DC/DC转换器的输出电流能力。
  针对以上问题,本文设计了一种新型的多层串一并联平面螺旋结构,该结构中的多点并联结构有效增加了等效金属层厚度,从而降低了串联电阻并增大了电流处理能力;串联结构增加了线圈之间的互感值,从而在不增加额外工艺成本的条件下,可以显著提高平面电感的品质因数、单位面积电感值和电感线圈的电流承受能力,同时,针对此混联结构提出了可扩展等效电路模型,为完全集成DC/DC转换器的整体电路模拟分析提供了便利基础。
  1 用于DC/DC转换器中的多层平面电感设计
  连续工作模式Buck转换器中滤波电感器的电感值为[3]
  
式中:D=vout/Vin为转换器的开关占空比,其中Vin、Vout分别为额定输入、输出电压;()为电感线圈中所经过电流的峰一峰值;fs为转换器工作频率、由上式可以看出,当额定输入、输出电压确定时,转换器所需电感值与fs及()均成反比,提高fs的值可以有效降低所需电感值,使得片上平面螺旋线圈能够更容易实现.但是,二者的选择又涉及到以下问题:①当开关频率增大到一定程度时,开关晶体管的损耗会迅速上升,从而导致系统的转换效率快速下降[2];②当增大Δip-p时,一方面,会使Buck转换器的工作模式改变,影响系统的分析、优化与控制,另一方面,电感线圈的金属条必须足够宽以承受大的脉冲电流,而金属条宽度增大后,在叠层线圈中的寄生电容也会明显增大,从而降低了片上平面电感器的性能[4].所以,设计时必须在这些因素中考虑折中。 ......
很抱歉,暂无全文,若需要阅读全文或喜欢本刊物请联系《西安交通大学学报》杂志社购买。
欢迎作者提供全文,请点击编辑
分享:
 

了解更多资讯,请关注“木兰百花园”
分享:
 
精彩图文


关键字
支持中国杂志产业发展,请购买、订阅纸质杂志,欢迎杂志社提供过刊、样刊及电子版。
关于我们 | 网站声明 | 刊社管理 | 网站地图 | 联系方式 | 中图分类法 | RSS 2.0订阅 | IP查询
全刊杂志赏析网 2017