一體成型電感的負(fù)載點(diǎn)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 陳劍鈞 吳力濤 鄧 闖

駐蚌埠地區(qū)軍代室 王 軍

中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 楊瓊楠

負(fù)載點(diǎn)電源以其穩(wěn)壓、快速供電的能力在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。隨著產(chǎn)品小型化要求越來(lái)越普遍，為保證產(chǎn)品的功率，就需要對(duì)負(fù)載點(diǎn)電源進(jìn)一步的高密度集成從而實(shí)現(xiàn)小型化。文章設(shè)計(jì)了一種一體化陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用一體成型電感封裝集成技術(shù)，滿足負(fù)載點(diǎn)電源高密度、高可靠、小體積等要求。

負(fù)載點(diǎn)電源又叫POL電源，常用于在分布式、多功能性的PCB板設(shè)計(jì)中，可以是一個(gè)電源集成電路也可以是一個(gè)電源模塊。負(fù)載點(diǎn)電源既可以滿足快速的供電要求，也能夠避免低壓大電流傳送產(chǎn)生的線損而造成電壓偏差。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了微模塊負(fù)載點(diǎn)電源，本文主要設(shè)計(jì)一種小型化、高密度集成的微模塊負(fù)載點(diǎn)電源結(jié)構(gòu)，具有表面貼裝及一體化集成等特點(diǎn)。

1 電感選型

電感根據(jù)制造工藝和結(jié)構(gòu)不同主要有疊層電感、繞線電感和一體成型電感三種。最早期的電感主要是繞線功率電感，見(jiàn)圖1所示。繞線功率電感采用繞制工藝在磁芯上繞制漆包線，可以根據(jù)不同類(lèi)型的磁芯繞制出不同的電感。其特點(diǎn)是電感范圍廣，可以從nH級(jí)達(dá)到mH甚至H級(jí)，電感精度高，損耗?。碤值大），飽和電流大，制作工藝?yán)^承性強(qiáng)，成本低。缺點(diǎn)是在進(jìn)一步小型化方面受到限制。

圖1 繞線功率電感圖

疊層電感實(shí)現(xiàn)了電感的小型化，見(jiàn)圖2所示。疊層電感使用鐵氧體漿料和超導(dǎo)體漿料交替印制、疊層、燒結(jié)，構(gòu)成閉合磁路，采用厚膜多層鈍化技術(shù)和疊層制造工藝，具有良好的磁屏蔽性，燒結(jié)密度高，機(jī)械強(qiáng)度好，與傳統(tǒng)繞線型功率電感相比具有尺寸小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。尺寸小，有利于小型化集成；磁路閉合，不會(huì)干擾周?chē)脑骷?，也不?huì)收到周?chē)骷母蓴_。不足之處是制造成本高、電感值小、飽和電流也小，不適合用于功率場(chǎng)合。

圖2 疊層電感圖

一體成型電感是近年新型的技術(shù)，見(jiàn)圖3所示。一體成型包括座體和繞組本體兩部分，是一種繞線電感的升級(jí)和改進(jìn)，其繞組本體也是線圈繞制形成的，但是不是繞制在磁芯上，是座體將繞組本體埋入金屬磁性粉末內(nèi)部壓鑄而成，貼裝的引腳為繞組本體的引出腳直接形成于座體表面，其擁有更高的電感量、飽和電流和更小的漏感。與繞線功率電感比較，一體成型電感采用貼片封裝更加小型化，具有更好的散熱效果，ESR值更小，采用全封閉結(jié)構(gòu)磁屏蔽效果更好，可有效降低電磁干擾，應(yīng)用頻率可達(dá)5MHz。

圖3 一體成型電感圖

各種類(lèi)型電感都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比表具體見(jiàn)表1所示。從表1的對(duì)比中可以看出，一體成型電感比較適合對(duì)于小體積的要求，并且方便根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)模設(shè)計(jì)。

表1 不同類(lèi)型電感對(duì)比表

負(fù)載點(diǎn)電源的小型化集成是一個(gè)重要難點(diǎn)，尤其是功率電感的集成。通常功率電感都有額定電流，在額定電流下保證電感量不降低就需要保證電感中的磁性元件不能磁飽和，通常需要較大的磁芯來(lái)實(shí)現(xiàn)。而大功率的電感通常擁有大尺寸，如果需要將電源控制芯片、電容、電阻以及功率電感集成到有限尺寸的芯片級(jí)空間內(nèi)，需要將電感進(jìn)行一體化封裝集成，而一體成型電感最適合做一體化集成。

2 殼體設(shè)計(jì)

殼體設(shè)計(jì)采用一體化管殼對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行封裝集成。一體化管殼是將微電路的基板作為封裝的載體，在基板上直接引出封裝的I/O端子并裝連封裝體的其他部分，使基板與外殼成為一個(gè)封裝整體。產(chǎn)品采用尺寸大小為9.85mmh10.16mmh4.57mm的TO-PMOD-7封裝，管殼選用陶瓷管殼。陶瓷封裝不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高密度封裝，而且具有氣密性好的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，陶瓷封裝還可實(shí)現(xiàn)多信號(hào)、地和電源層結(jié)構(gòu)，并具有對(duì)復(fù)雜的器件進(jìn)行一體化封裝的能力，且散熱性也很好。因此，殼體選用一體化陶瓷管殼，并且將引出端、背面EP焊盤(pán)以及內(nèi)部導(dǎo)帶集成到陶瓷管殼上，同時(shí)能夠滿足表面貼裝的要求。

產(chǎn)品一體化殼體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 一體化殼體示意圖

3 組裝

產(chǎn)品的整體組裝包括電源控制芯片、阻容、功率電感、蓋板以及殼體的組裝。由第二部分電感選型分析得出，管殼內(nèi)部功率電感使用一體成型電感最適合。根據(jù)第三部分管殼內(nèi)部腔體的結(jié)構(gòu)定制契合整個(gè)產(chǎn)品外形的一體成型電感，從而達(dá)到一體化封裝集成的效果，定制支架電感如圖5所示。

圖5 定制支架電感圖

對(duì)于功率電感和阻容使用高溫錫焊的工藝；電源控制芯片使用高溫導(dǎo)電膠粘接工藝，使用金絲鍵合工藝實(shí)現(xiàn)電源控制芯片的電氣連接。

蓋板采用金屬蓋板，采用全氣密性充氮，與殼體進(jìn)行平行封焊，既保證了產(chǎn)品的氣密性，也提高產(chǎn)品的可靠性。

產(chǎn)品最終組裝示意圖如圖6所示。

圖6 組裝示意圖

本文設(shè)計(jì)的微模塊負(fù)載點(diǎn)電源結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)在于，使用一體成型電感，定制支架和外形尺寸完全契合產(chǎn)品的外形，并通過(guò)立體組裝集成技術(shù)，將電源控制芯片和電阻、電容集成到基板上，一體化電感使用立體支架將電感本體支撐起來(lái)，從而將一體化電感架在電源控制芯片和電阻、電容上面，最大化利于產(chǎn)品的空間，實(shí)現(xiàn)高密度集成和表面貼裝。