Design Procedure for Racetrack Microinductors on Silicon in Multi-MHz DC–DC Converters

Abstract

Inductor-on-silicon research to date has focused on optimising technologies for maximum power density and efficiency, with most design procedures based on computationally intensive methods. In this paper a simple and intuitive method for designing microinductors based on a given DC-DC converter specification, which includes accurate models for all loss components, is presented. A detailed examination of variations in designs to realise the same circuit performance is presented. Finally Finite Element Analysis simulations demonstrating the accuracy of the models are given, along with measured results. INDEXTERMS-DC-DC, Design, Inductor-on-silicon, Microinductor, PwrSoC 0885-8993 (c)

Integrated inductor optimization for Power Supply on Chip

“…Por un lado, la mejora en las técnicas de encapsulado ha conseguido reducir notablemente el efecto de los componentes parásitos en el circuito [10,15]. Por otro, el desarrollo de nuevos semiconductores, provocado en gran parte por la aparición de los materiales de banda prohibida ancha, como el Nitruro de Galio (GaN) o el Carburo de Silicio (SiC), han permitido incrementar la frecuencia de conmutación sin penalizar en exceso la eficiencia [15][16][17]. Sin embargo, los elementos pasivos y, particularmente, los inductores, han tenido un desarrollo mucho más progresivo, hasta convertirse actualmente en el mayor limitante para la implantación de estas tecnologías [17][18][19][20][21].…”

“…Sin embargo, este cambio tecnológico puede suponer un cambio en el paradigma de diseño de los componentes magnéticos. En el diseño de componentes convencionales, tanto las geometrías de núcleo como las de conductores están limitadas a tamaños estandarizados [17] y las técnicas de diseño y modelado están muy desarrolladas [26]. En los microinductores, sin embargo, cada parámetro geométrico es controlable y, por tanto, debe ser parte de las consideraciones de diseño.…”

“…De las geometrías en las que los cables envuelven al núcleo, las dos más comunes son: Figura 4: Comportamiento del material en sus ejes difícil (hard axis) y fácil (easy axis) [6] Toroides: Los microinductores toroidales presentan altos niveles de inductancia con anisotropía cruzada, pero es muy difícil evitar que el flujo circule por el eje fácil en algunas regiones [15,17], lo que aumenta enormemente las pérdidas si el flujo es alto. Se han propuesto diversas técnicas para corregirlo, tales como dividir el toroide en secciones, consiguiendo un polígono con las suficientes aristas para aproximarse a una circunferencia en la que el flujo vaya, mayoritariamente, en el eje difícil.…”

“…Un ejemplo de la geometría toroidal se muestra en la Figura 5. Solenoides: Al igual que los toroides, presentan muy buenos niveles de inductancia con anisotropía cruzada pero, de la misma manera que en estos, el flujo tiene que ser perpendicular al eje difícil en algunas regiones, lo que reduce mucho la eficiencia [17,32]. Adicionalmente, fabricar el núcleo en el interior de las espiras es un proceso muy complejo.…”

First self‐resonant frequency of power inductors based on approximated corrected stray capacitances

“…With respect to the integrated applications, there is a tendency towards using planar constructions of inductors and transformers in switching-mode power supplies (SMPS) [15][16][17]. The most common manufacturing techniques of planar coils are conventional wiring, PCB implementations, as shown in Figure 1, and microfabrication [18].…”