从前基于电感器的开关调节器(SRs)被认为是最佳的电源架构。但如今对于低功率和高集成度的电子系统来说，基于嵌入式电感器的SR具有多个约束，而这些约束都能利用无感架构予以克服。本文基于实现成本(BOM和引脚数)及性能(效率，噪声及可靠性)，针对上述两种架构提供了量级并进行了定量比较。

实现成本和BOM清单

基于电感器的调节器(图1)的第一个也是最重要的一项约束就是成本和电感器尺寸。绝大多数情况下，电感器支配了集成SR的成本和尺寸。为了解决该问题，负责成本预算的消费产品设计师试图选用便宜的功耗大的电感器，但这将会降低功率效率。例如，如果在基于电感的SR中选用便宜的电感器来代替低ESR(等效串联电阻)电感器，将会损失高达10%的效率。从而基于电感的SR的优点将不复存在。

图1：普通的基于电感的升压(a)降压(b开关调节器。

另一方面，无感SR(图2)只需要采用一个或两个小型且便宜的陶瓷电容器(飞跨电容Cf1和Cf2)来代替昂贵的电感器。事实上，对于给定的输出电容，电感器的成本大约是飞跨电容的5-10倍，且体积比也达到了5-10倍甚至更高。

图2：普通的无感开关调节器(a)，带有飞跨电容的普通无感开关调节器(b)。

小电流时(<25mA)，甚至可以把飞跨电容集成到硅片内，从而为高效率集成转换提供极高的集成度。此时调节器只需要一个外接输出电容器。

在许多已出版的有关采用嵌入式电感的集成SR的资料中都已明确地指出，这类SR需要采用非常高的开关频率，最终都落入人们的注意力之外，原因在于效率低，硅片尺寸大，还需要射频工艺。

还需注意的是，为了确保调节环路稳定和最佳性能，通常还需要外部元器件来补偿由LC滤波器(电感器和输出电容器构成)所形成的共轭极点。而在无感调节器中则无需补偿，从而减小了无源元器件的成本。

所需的引脚数可能是无感方案中的主要问题。从图1和2中可以看到，基于电感的SR需要4个引脚(VIN，VOUT，VX，和GND)，而无感SR中则需3-7个引脚(VIN，VOUT，Cf11，Cf12，Cf21，Cf22，和GND)，具体要取决于输出电流容量和VIN与VOUT的比值。

同样如上所述，在电感式解决方案中需要外部无源元件，这通常需要另外2个引脚。

总起来，电感式解决方案需要4-6个引脚，而无感方案则需要3-7个引脚。

性能和效率

无感SR，也叫做电荷泵(图2)，众所周知，当输入电压可变时，其效率要低于电感式解决方案。但自从多模无感SR产品开发出来后，上述这种说法就不再成立了。这种方案在一般的电池电压范围内，所提供的平均效率与电感式SR相类似。

的确，在电荷泵转换器中，可利用多种拓扑结构来实现不同的转换比。例如，对于采用2个飞跨电容和不同开关模式的无感SR，可以实现11种电压转换比：即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今可以实现在所有这些转换比之间进行自动选择的无感SR。效率为：

通过监控VIN和VOUT可以发现，SR将自动选择合适的转换比，根据VIN/VOUT工作点实现最高效率。例如，图3所示即为在2.6-5.5V的输入电压范围内以及针对两个不同的输出电压值，带有两个飞跨电容器的无感SR的效率曲线。

可见，这类的SR可以在整个输入电压范围实现高于80%的平均效率，很显然这与电感式解决方案所能实现的效率处于相同的范围。同样，对于像VIN=5V与VOUT=3.3V(USB电源线到I/O或模拟电压领域)这样的固定转换比，效率可以高达85%。

图3：无感开关调节器中效率与输入电压的关系。

由于便携式电子系统中有多种操作模式，系统和不同子模组的电流消耗的变化很大。为这些子模组供电的SR必须在很宽的电流范围上实现高效率。因此，效率的另一个重要方面是其如何响应SR负载电流的变化。绝大多数电感式SR采用一个PWM调整环路。这种方案在负载最重时可以实现高效率，但当负载减轻时其效率迅速下降。

图4显示了在PWM电感式SR中效率对负载电流的依赖性。图中可见，轻负载时效率迅速下降。为了在较轻负载时维持效率，通常电感式SR采用耗能较小的解决方案，如PFM或PSM(脉冲跳频调制)。但是这类调制方案的缺点是严重地降低了SR的调节性能，还大大增加了固有的输出噪声。

图4还显示了电感器的ESR对最大可实现效率的影响。为了真正实现电感式SR提供商的数据手册中所标明的效率，就必须采用超低ESR的电感器，但这种电感器总是既大又贵。事实上，出于成本约束方面的原因，系统或生产工程师常常是寻找便宜的电感器。因此，电感式SR在较高的电流输出范围内(IOUT的10%-100%)的平均效率常常是位于80%到85%之间，如图4所示。实际上，电感式方案的平均效率已经降到了相对于无感SR方案中体积又小、价格又便宜的陶瓷电容器来说，即便是采用便宜的电感器，其尺寸和成本也显得很不值得的程度。

无感式SR在轻负载情况下也会有同样的效率损失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3这类产品，采用了创新的调整方案，减小了随着负载减轻时SR的功率损失，同时能够将效率保持在最佳-即满负载时的99%，而调整性能和噪声性能也没有任何损失。

图4：PWM电感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3无感式SR(b)的效率与负载之间的关系，工作条件为VIN=3.3V&VOUT=1.8V。

*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。