微型化的DC-DC轉換器對于便攜式電子設備是必不可少的，但片外電感器尺寸偏大，從根本上制約了設備小型化發展。提高開關頻率雖然可以降低電感需求、提升集成度，但會帶來過高的開關損耗和轉換效率下降。先進MEMS微加工技術為高性能片上電感器提供了可行方案，但電感器與控制電路的協同設計和系統集成仍鮮有深入研究。
圖1 不同電感器設計方案的電感、尺寸和開關損耗（PSW）特性對比
據麥姆斯咨詢報道，近期，湖南大學通過高電感密度MEMS磁芯電感器與定制CMOS控制器的協同設計，研制出一款超緊湊降壓轉換器（buck converter）。為適配大多數電源轉換器低于10 MHz的常規工作頻率，研究團隊開發了一種低成本的晶圓級光刻膠模具電鍍工藝來制造該電感器，其電感密度達210 nH/mm2、品質因子為10。降壓轉換器控制器與所制備MEMS電感器進行了協同優化，并采用180 nm CMOS工藝實現。將MEMS電感器與控制器集成電路（IC）直接集成到完整的電源模塊中，其總體積僅為5.3 mm3。該模塊提供從2.7-3.6 V到1.75 V的穩定電壓轉換，峰值效率為83%。相關研究成果以“An Ultra-Compact and High-Efficiency Buck Converter Enabled by Co-designed High-Density, Low-Cost MEMS Inductor”為題發表于IEEE Transactions on Power Electronics期刊。
電源管理IC（PMIC）設計
圖2展示了采用恒頻V2峰值控制（CF-V2PC）架構的全集成同步降壓轉換器的原理圖。該架構在保持恒定開關頻率的同時，兼具PFM典型的快速瞬態響應特性。這種控制策略不僅無需復雜的補償網絡即可確保系統穩定性，而且由于電路結構的簡化實現了低靜態電流，從而有效延長了便攜式設備的電池續航時間。此外，補償網絡占用的硅面積減少，有助于實現更緊湊的系統，從而顯著提高功率密度。所提出的降壓轉換器主要包括功率級、保護電路和控制環路。控制環路采用時鐘同步鎖存型調制器來實現CF-V2PC方案。
圖2 本文所提出降壓轉換器的拓撲結構
零電流檢測器（ZCD）通常應用于以斷續導通模式（DCM）或臨界導通模式（CrCM）工作的DC-DC轉換器中，以檢測電感-電流過零并實現二極管模擬同步整流，從而提高輕載效率并優化瞬態響應性能。在這項工作中（如圖3），ZCD設計旨在確保對于300 nH電感器，在數十毫安級別的標稱紋波電流下實現可靠的電流過零檢測。該工作同時實現了雙邊沿死區時間控制電路。
圖3 零電流檢測器和過流保護原理圖
由于電感器的電流上升相對應于功率P-MOSFET的導通，因此設計了電流檢測保護電路。該模塊的工作原理如下：通過監測流經功率PMOS的電流，來檢測電感器的峰值電流。圖4展示了基于臺積電（TSMC）180nm CMOS工藝制造的定制降壓轉換器顯微圖及其模塊布局。
圖4 芯片顯微圖與關鍵模塊布局
MEMS電感器設計與測試
接著介紹適用于1.33 mm × 1.12 mm電源模塊的電感器設計。為了最大限度地利用面積，該MEMS電感器寬度可與模塊寬度保持一致。在規定的電感量和占用尺寸限制下，該電感器利用硅上集成磁性技術，并與高縱橫比繞組架構協同優化，以實現更高電感密度和最小DCR。因此，研究人員提出了一種無需蝕刻或拋光的厚膜電感器制造工藝。這項研究采用光刻膠模具輔助剝離（lift-off）工藝，以克服傳統剝離工藝在厚膜制備方面的局限性，從而減少了約三道蝕刻步驟。主要制造工藝如圖5所示。
圖5 MEMS電感器以及電感器與PMIC的系統級封裝（SiP）的制造工藝流程
圖6展示了電鍍前后MEMS電感器的截面圖。圖7展示了通過調節電流密度和電鍍時間可精確控制鍍層厚度。實驗中制備的MEMS電感器具有較高的良率，相關測試結果如圖8所示。
圖6 電鍍前后MEMS電感器的SEM圖像
圖7 通過調節電鍍時間和電流密度來控制繞組厚度
圖8 所制備MEMS電感器的電感性能表征
集成封裝與性能測試
研究人員對定制設計的降壓轉換器與所制備的MEMS電感器進行集成封裝，系統級封裝尺寸為2.3 × 2.3 × 1 mm3，其中包括全部必要互連結構及引線鍵合（如圖9）。研究人員對封裝后的器件開展了性能測試，相關結果如圖10所示。
圖9 集成封裝系統圖
圖10 所封裝器件的性能測試
總結
綜上所述，這項研究設計了一款集成MEMS電感器的超緊湊DC-DC降壓轉換器，該電感器采用高縱橫比NiFe鍍層銅線圈結構。研究團隊提出了一種定制設計的180 nm CMOS控制器IC，并與平面磁芯電感器相匹配，實現了尺寸僅為2.3 × 2.3 × 1 mm3的緊湊型降壓轉換器。實驗結果表明，在將電壓從2.7 ~ 3.6 V轉換至1.75 V時，峰值效率可達83%。更重要的是，該解決方案著重強調了制造可行性。通過采用低成本、可擴展的MEMS電感器和IC制造技術，這項工作為下一代微型化電源提供了兼具實用性與產業化價值的技術路徑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/TPEL.2026.3692899
