基于铁氧体的电源磁珠，作为线绕电感器的取代方案，在VCORE稳压器中提供了更高的效率、更严密的公差以及更小尺寸。

很多年来线绕电感器一直是台式机内核稳压器(VCORE )的支柱。在历史上，电感器的容量大小、磁盘公差和高功耗并不为人们所重视，因为作为最低的成本解决方案，线绕电感器一直是人们的最佳选择。

然而，三项不断向前推动的V CORE 要求突现了线绕电感器（在尺寸、公差和效率方面）的劣势所在。对线绕设计进行修改的工作却增加了一度低成本的线绕的价格。结果，线绕电感现在成为V CORE 稳压器效率最低而成本最高的选择。

而一个可以取而代之的方式，即通孔技术（THT）电源磁珠，可以克服绕线电感的缺点，同时满足了不断发展的V CORE 的要求。在VCORE 应用中，我们通过计算和测量结果来展示电源磁珠的性能，并与线绕进行比较。

稳压器要求

每一代最新的处理器都要求比先前版本有更快的瞬态响应时间。更快的瞬态响应时间又要求具有通过V CORE 电感器快速改变电流的能力。然而，电感器内部的磁场却会抵制这种改变(di/dt = V OUT / L)；因此，在固定的输出电压(VOUT)下，增加 di/dt的唯一方式就是减少电感的值（L）。

遗憾的是，随着电感值的下降，通过电感器的纹波电流就会增长，从而极大提高了电感器中的开关损耗。在过去几年里，电感值曾经两度下降而且在未来的两年里可能将以同样的数量下降。

由于电感值已经下降，所以电路中的寄生电感，如从电感器到处理器的PC板轨迹长度的电感，就变得更加明显。为了减少不必要的寄生电感，我们需要将V CORE 设置在离处理器更近的位置。然而，为了实现这种靠近，电感器必须适合放在突出的散热器下面的位置。

另外，要使更多元件接近处理器的要求就必须缩减每个元件的占位面积，这样才能使其适于安置在新的缩减空间内。而且，对于更快瞬态响应的要求也引发了对于更低电感、更低高度和更小占位空间电感器的要求。

现在，将电感器线圈的分布式直流电阻（DCR）作为电流感应元件，对过流保护和输出电压下降进行控制已经成为一种标准做法。这需要通过对电感器上的压降进行测量，然后过滤掉由电感引起的压降部分来实现。

最终，电感器DCR的公差和电感，这些过去从未被考虑的因素，现在直接影响到电流感应的精度。在过去的几年里，人们越来越关注改进的公差和不断增长的压力。

过去，如果在设计上存在散热问题，唯一考察的便是V CORE 解决方案的效率。然而，根据消费者所面临的整体能耗，新的Energy Star效率命令及从小的物理空间移除更多功率而不断提高的热管理难度，使产品效率成为一个新的关注点。满足这些效率要求最需要的是减少电感器开关损耗，但由于更快的瞬态响应的需要及电感器DCR所产生的直流损耗的降低，开关损耗已经在增长。

DCR电感模式要求DCR具有一些最低的额定值以保持良好的电感信噪比。然而，由于脉冲调制电路的最新发展，现在可以采用更低的额定DCR值。为了使效率最佳化，有必要以这些较低的额定DCR值设计电容器。

尽管对于更低电感、更小外形、更小占位空间、更严密DCR和电压公差和提高效率的需求越发严格，在最终完成品中，价格的增长仍然没有任何利润空间。因此，必须在不影响电感器元件成本的情况下实现这些进展。

线绕电感存在的问题

在过去，线绕电感器（如图1所示）是最便宜的V CORE 解决方案。最初使用高磁通率（75p erm）、低成本的粉末铁氧体磁芯。随着电感值的下降，就需要减少线圈数量（L≈Turns 2 × perm）以取得较低的数值。

图1 过去，采用微处理器内核稳压器的线绕电感器采用低成本、高磁通率的压粉铁芯(略)

然而，减少线圈数会增加磁芯(△B≈1 / N)内的运行磁通密度，而更高的磁通密度会增加磁芯的功耗(P CORE (W) ≈(△B)2x。随着电感值的进一步下降，不可能仅降低线圈数量，除非产生更多的磁芯损耗。

相应的，必须要用更好的磁芯损耗特性取代较低磁通率和较高成本的磁芯。对于给定电感，这些磁芯要求更多的线圈数，但更多的线圈数量会降低能量密度。用更多线圈数去获得更低的电感值，或者在相同线圈数时使用更低的磁通率的磁芯去获得更低的电感值，这种方法仍然在更低磁通率的磁芯(35 perm和14 perm)上继续。

尽管较低磁通率的铁粉芯具有更低的损耗，但当与其它内核材料相比较时，它们的损耗仍然相对较高。最终，根据线圈数量，由于仍然相对较高的磁芯损耗和较高的直流铜损的存在，使这个方向的设计产生了更高价格的解决方案。

线绕电感器DCR的公差受到实际磁芯尺寸、磁芯绕线圈的紧密度及所用电阻变化的影响。圆形磁线的电阻公差被严格控制在±2%。然而，环形磁芯的尺寸变化很大，而且由于环形磁路典型地都是由手来缠绕，或者是采用一个机器协助的过程，所以卷绕紧密度也有所变化。不进行筛选，就不可能利用一个线圈环取得一个少于±10%的DCR公差，而如果筛选就会极大的提高部件的成本。

另外，环形磁芯电感公差典型地仅控制在±10%，除此之外，由于在线圈布置中的变化，在漏感中这个数值将是变化的。尽管可能会引用更严密的公差，但却没有数据支持这样的数字。如果行业需要高于±10%的公差，就需要一个新的电感器解决方案。

线绕电路本身并没有高效的利用空间。在空的线绕中心有一个典型的大区域，线圈超出了其磁芯尺寸，而在这些线圈的中间又存在着空间上的间隙，从而增加了整 体的占位面积。线圈紧密度的变化又进一步加大了线绕的尺寸。这样，不可能实现高效的线绕设计。

最终，我们应该记住多圈线绕花费时间更多，并使用相对大量的铜。全球劳动力的成本都在增加，铜和其它材料的价格居高不下。这些高成本的驱动，再加上更加昂贵的perm低铁粉芯，将继续推动线绕成本的攀升。因而，使用线绕的解决方案将无法满足更小尺寸、更高效率、更小公差和更低成本的要求。

THT电源磁珠电感器

更加严密的公差、缩减尺寸、提高效率和降低成本的目标带动了数个可选解决方案的发展。能够满足所有要求的一个解决方案便是THT电源磁珠电感器(如图2所示)。电源磁珠在有间隙的铁氧体磁芯架构中采用了一种单圈缠绕的方式。

图2 THT电源磁珠电感器的结构包括一个有隙铁氧体磁芯的单线圈(略)

对于一个给定的磁通密度和频率，铁氧体比铁粉的铁损低20倍之多。另外，与铁粉不同，铁氧体不易受到热老化的影响，而热老化是一种过程，在这个过程中，铁粉中的粘合剂会在高温条件下失效，从而引起铁粉及热量的增加并形成热耗散的状况。

电源磁珠单圈就意味着额定的DCR值可以设定在任何可接收的最小值来进行DCR电流感应。最低DCR及低铁损的结合使THT电源磁珠成为高效的磁珠解决方案。

单圈线绕也允许在DCR公差中有极大的降低。导线可以实现更严密的公差，而且由于导线尺寸并不依赖于手工缠绕处 理或磁芯公差，因而可以达到±4%的 DCR 公差。相对于目前线绕所具有的± 10% 的 公差，这绝对是个长足的进步。

同样地，依赖于磁芯等分之间的物理间 隙插入的电源磁珠的电感大多取决 于间隙 的 机 械尺寸。因此，很容易保持 一个 ±10% 的电感公差，如果需要，还可以达到更小的公差。

电源磁珠的物 理空间仅由铁氧体磁芯和铜绕线占据，这样就会产生空间上的浪费。因此，电源磁珠的尺寸可以达到优化而占位面积也会大大缩减。

在采用有间隔的铁氧体磁芯中仅有一项缺点。在任何电感器中，能量都由磁芯所控制并保存在间隙中。在铁粉设计中，多种尺寸的间隙分布在磁芯之中，当由峰值电流所驱动的磁通密度增加时，每个间隙在不同的时间都将达到饱合。这种分布式间隙架构的基本影响在于更低的饱合度及相对于峰值电流逐渐下降的电感。

然 而，在铁氧体结构中，仅有一到两个离散间隙，这就使带有峰值电流的电感下降产生的更快速。 因此，在设计时，有必要确保应用中部件可以承受峰值瞬态电流。只要电源磁珠的设计正确，它就会提供比同等线绕更高的效率、更严密的公差和更小的尺寸。

实验结果

在努力证明前面所描述的关系时，脉冲工程师针对三项现存V CORE 应用来评估电感设计。按照更低电感的趋势，我们具有一个采用325nH电感器的现有台式机应用和两个分别采用220nH和160nH电感器的下一代台式机应用。

在每一个电感等级上，通过采用一个粉末铁氧体磁芯来实现THT水平线绕，或者通过一个间 隔铁氧体实现THT电源磁珠。为避免瞬态负载可能产生的饱和，电源磁珠的设计必须满足50A的额定峰值电流，这是每个相位最大直流电流的两倍。另外，必须保持着0.50 mΩ的最小DCR值，以保证 在现存电感器DCR电流感应模式下，所有的电感器都可以应用。在所有的情况下，THT电源磁珠公差为±4%，这就远远 优于 线绕设计中±10%的公差。应该强调的是，所有 评估的电感器都是实际的部件，而非理论模型。每个电感水平都在实际的三相演示板中进行测试，采用250 kHz下12V到1.2V的工作电源，输出电流在10A至80A间变化。在图3至图5中展示了其曲线图。

图3 当在一个VR11-type，250kHz,三相稳压器中对两个325nH进行测试时，磁珠设计
的效率比线绕设计略高几点(略)

图4 当两者都在VR11测试设置中(250kHz，三相稳压器），在较高的负载下进行测量时，一个220nH磁珠电感器比一个可比的线绕电感器具有更高的效率(略)

图5 在VR11设置中采用两个160nH线绕设计和一个160n磁珠设计，曲线表明，相对于两个线绕设计的较好结果，磁珠电感器取得了一点增益效率

注意，由于对于电感中的每项变化而言这个电路板并不都是最优的，而且原始的板设计要求每个电感器向下连接到PC板，因而整个测量的效率水平将更低些。然而，线绕解决方案和电源磁珠解决方案的相对效率值并没有改变。在图6和图7中，分别显示出用电源磁珠取代环线测量和计算出的所节省的电流。另外，在图8中显示出相关尺寸的对比。

图6 一个磁珠电感器测量得到的节能量与VR11稳压器中的一个线绕电感器的节能量随着
感应值和负载条件而变化(略)

图7 在轻载(24W)下，一个磁珠电感器的预测节能值大于测量值，而在重载下(84W)，预测节能值小于测量值(略)

图8 随着电感的降低，磁珠电感器整体占位面积所占线绕电感器的比例越来越小(略)


325nH电感器解决方案

目前针对325nH VCORE电感器(Pulse PA1549NL)的解决方案采用一个带有四线圈2×18GA线的35perm，0.4 4OD铁芯。这种设计具有14.5 ×14mm的占位面 积，一个0.76 mΩ额定值的DCR和 560 mW的铁损(在 250 kHz下的电压为12 V至1.2 V)。TH T电源磁珠当量（Pulse PN PA2125NL）具有15.9 ×8.9mm的占位面积，一个0.54m Ω 额定值的DCR和的130mW铁 损 (在250 kHz下的电压为12 V至1.2V)。如图3所 示 ，电源磁珠的效率在全负载状态时更佳。在 轻载(24W)和重载(84W)状态下分别节能1.2W和1.6W，很接近1.3 W 和1.7 W的理想预测值(图7所示)。整体占位(图8)已经缩减了31%。

220nH 电感器解决方案

为了在不过度增加铁损的情况下实现低电感(220nH)线绕解决方案，有必要向更低perm、更高成本的铁粉芯发展。用于220nH V CORE 电感器的(Pulse PA2164NL)解决方案采用一个带有六线圈2× 18GA线的14perm、0.44OD 铁粉芯。这种设计具有14.5×14 mm的占位面积，一个1.1m Ω 额定值的DCR和136 mW的铁损。THT电源磁珠当量（Pulse PA1894NL）具有10×10mm 的占位面积，0.51m Ω 额定值的DCR和136mW的铁损。如图4所示，满负载时的效率要优于电源磁珠，但是在轻载状态下，低perm线绕效果还稍微好些。在轻载（24W）和重载（84W）状态下分别节能?0.4W和1.3W，这就证明在轻载下的节能低于预测计算，而在重载下的节能高于预测计算（如图7所示）。功耗上的差异可能是由实际铁损与计算间的差异或元件布局而产生的。在任何情况下，在重负载下1.3W的节能量，以及高于50%的占位空间的缩减（图8）都使电源磁珠成为更理想的解决方案。

160nH电感器解决方案

用于160nH V CORE 电感器的(Pulse PA2142NL) 解决方案采用一个带有五线圈17GA线的14perm、0.44OD 铁粉芯。这种设计具有14.5×14 mm的占位面积，一个0.7mΩ额定值的DCR和202 mW的铁损。 THT电源磁珠当量(Pulse PA2080NL)具有10×7.5mm 的占位面积，0.5mΩ额定值的DCR和150mW的铁损。如图5所示，电源磁珠在轻负载时的效率稍佳，而在轻载状态下仍是如此。作为参照，一个采用高perm磁芯的线绕设计也囊括在效率曲线图中。很明显，即使此设计具有更低的RCR，过多的铁损也使其成为一个较差的解决方案。在轻载和重载状态下分别节能0.2W和0.9W(如图6所示)，很接近0.2 W 和0.5 W的理想预测值（图7所示）。除节能外，占位空间也减少了60%以上（图8）。从这项分析中来看，很明显，采用更低的perm铁粉芯可以在使用线绕时减少一些效率损耗。但在DCR上的合量增长仍使THT电源磁珠成为一个更有效的解决方案。效率增益，再加上极大的尺寸缩减和DCR公差方面的提高使THT电源磁珠成为低电感V CORE 应用的最佳解决方案。

(本文译自Power Electronics Technology)