高密度、低成本MEMS电感器，实现超紧凑高效降压转换器
2026-05-23 10:53:42   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微型化的DC-DC转换器对于便携式电子设备是必不可少的，但片外电感器尺寸偏大，从根本上制约了设备小型化发展。提高开关频率虽然可以降低电感需求、提升集成度，但会带来过高的开关损耗和转换效率下降。先进MEMS微加工技术为高性能片上电感器提供了可行方案，但电感器与控制电路的协同设计和系统集成仍鲜有深入研究。

图1 不同电感器设计方案的电感、尺寸和开关损耗（PSW）特性对比

据麦姆斯咨询报道，近期，湖南大学通过高电感密度MEMS磁芯电感器与定制CMOS控制器的协同设计，研制出一款超紧凑降压转换器（buck converter）。为适配大多数电源转换器低于10 MHz的常规工作频率，研究团队开发了一种低成本的晶圆级光刻胶模具电镀工艺来制造该电感器，其电感密度达210 nH/mm²、品质因子为10。降压转换器控制器与所制备MEMS电感器进行了协同优化，并采用180 nm CMOS工艺实现。将MEMS电感器与控制器集成电路（IC）直接集成到完整的电源模块中，其总体积仅为5.3 mm³。该模块提供从2.7-3.6 V到1.75 V的稳定电压转换，峰值效率为83%。相关研究成果以“An Ultra-Compact and High-Efficiency Buck Converter Enabled by Co-designed High-Density, Low-Cost MEMS Inductor”为题发表于IEEE Transactions on Power Electronics期刊。

电源管理IC（PMIC）设计

图2展示了采用恒频V²峰值控制（CF-V2PC）架构的全集成同步降压转换器的原理图。该架构在保持恒定开关频率的同时，兼具PFM典型的快速瞬态响应特性。这种控制策略不仅无需复杂的补偿网络即可确保系统稳定性，而且由于电路结构的简化实现了低静态电流，从而有效延长了便携式设备的电池续航时间。此外，补偿网络占用的硅面积减少，有助于实现更紧凑的系统，从而显著提高功率密度。所提出的降压转换器主要包括功率级、保护电路和控制环路。控制环路采用时钟同步锁存型调制器来实现CF-V2PC方案。

图2 本文所提出降压转换器的拓扑结构

零电流检测器（ZCD）通常应用于以断续导通模式（DCM）或临界导通模式（CrCM）工作的DC-DC转换器中，以检测电感-电流过零并实现二极管模拟同步整流，从而提高轻载效率并优化瞬态响应性能。在这项工作中（如图3），ZCD设计旨在确保对于300 nH电感器，在数十毫安级别的标称纹波电流下实现可靠的电流过零检测。该工作同时实现了双边沿死区时间控制电路。

图3 零电流检测器和过流保护原理图

由于电感器的电流上升相对应于功率P-MOSFET的导通，因此设计了电流检测保护电路。该模块的工作原理如下：通过监测流经功率PMOS的电流，来检测电感器的峰值电流。图4展示了基于台积电（TSMC）180nm CMOS工艺制造的定制降压转换器显微图及其模块布局。

图4 芯片显微图与关键模块布局

MEMS电感器设计与测试

接着介绍适用于1.33 mm × 1.12 mm电源模块的电感器设计。为了最大限度地利用面积，该MEMS电感器宽度可与模块宽度保持一致。在规定的电感量和占用尺寸限制下，该电感器利用硅上集成磁性技术，并与高纵横比绕组架构协同优化，以实现更高电感密度和最小DCR。因此，研究人员提出了一种无需蚀刻或抛光的厚膜电感器制造工艺。这项研究采用光刻胶模具辅助剥离（lift-off）工艺，以克服传统剥离工艺在厚膜制备方面的局限性，从而减少了约三道蚀刻步骤。主要制造工艺如图5所示。

图5 MEMS电感器以及电感器与PMIC的系统级封装（SiP）的制造工艺流程

图6展示了电镀前后MEMS电感器的截面图。图7展示了通过调节电流密度和电镀时间可精确控制镀层厚度。实验中制备的MEMS电感器具有较高的良率，相关测试结果如图8所示。

图6 电镀前后MEMS电感器的SEM图像

图7 通过调节电镀时间和电流密度来控制绕组厚度

图8 所制备MEMS电感器的电感性能表征

集成封装与性能测试

研究人员对定制设计的降压转换器与所制备的MEMS电感器进行集成封装，系统级封装尺寸为2.3 × 2.3 × 1 mm³，其中包括全部必要互连结构及引线键合（如图9）。研究人员对封装后的器件开展了性能测试，相关结果如图10所示。

图9 集成封装系统图

图10 所封装器件的性能测试

总结

综上所述，这项研究设计了一款集成MEMS电感器的超紧凑DC-DC降压转换器，该电感器采用高纵横比NiFe镀层铜线圈结构。研究团队提出了一种定制设计的180 nm CMOS控制器IC，并与平面磁芯电感器相匹配，实现了尺寸仅为2.3 × 2.3 × 1 mm³的紧凑型降压转换器。实验结果表明，在将电压从2.7 ~ 3.6 V转换至1.75 V时，峰值效率可达83%。更重要的是，该解决方案着重强调了制造可行性。通过采用低成本、可扩展的MEMS电感器和IC制造技术，这项工作为下一代微型化电源提供了兼具实用性与产业化价值的技术路径。

论文链接：https://doi.org/10.1109/TPEL.2026.3692899

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