基于SiP技術的限流保護器設計

李鑫彪，張 可

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

SiP（System in a Package）技術是將多個具有不同功能的電子元件集成在一個封裝內(nèi)作為實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件，從而形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。隨著電子整機產(chǎn)品體積不斷縮小以及封裝技術的發(fā)展，SiP技術已經(jīng)廣泛應用在各個領域。限流保護器模塊是在系統(tǒng)中檢測和限制短路電流，實現(xiàn)保護電路的裝置。使用時位于電源與系統(tǒng)負載之間，當負載電流大于設定的閾值時，限流保護器模塊迅速關斷電源與系統(tǒng)負載之間的連接通路，避免大電流造成系統(tǒng)負載的損壞，從而實現(xiàn)對負載的限流保護功能。此模塊主要應用于保護ASICs，F(xiàn)PGAs等對單粒子鎖定效應敏感的電子器件[1-2]。

2 功能概述

本設計模塊由微電路芯片及分立元器件組成。為實現(xiàn)限流保護的功能，模塊內(nèi)部包含有穩(wěn)壓器、比較器、基準產(chǎn)生電路、狀態(tài)處理電路及電荷泵等電路。該限流保護器模塊具有低電流閾值（待機電流）和高電流閾值（運行電流）兩種限流閾值，且兩種電流閾值可通過外接電阻設置。模塊邏輯功能框圖如圖1所示。

其中，VAUX為輔助電源，用于為模塊內(nèi)部的各芯片提供工作電壓。VIN為限流保護的外接輸入電源，VOUT為模塊輸出。當VIN電源的輸入電流小于限流閾值時，VOUT≈VIN；當VIN電源的輸入電流大于限流閾值時，內(nèi)部功率開關管斷開，VOUT≈0。RUN/STB為限流閾值選擇端，當RUN/STB為高電平時，模塊選擇高電流閾值（運行電流）；當RUN/STB為低電平時，模塊選擇低電流閾值（待機電流）。ON/OFF為模塊的控制端，當ON/OFF為高電平時，模塊正常工作，具有限流保護的功能；當ON/OFF為低電平時，模塊不工作，VOUT≈0。PROT_STATUS為模塊過流標志端，當VIN電源的輸入電流大于限流閾值時，PROT_STATUS為高電平；否則為低電平。LIM_RUN為高電流閾值設定端，LIM_STB為低電流閾值設定端，具體連接方法見圖1所示。ADJ_RESTART為自動重連功能端，若該端接地，當出現(xiàn)過流時，VIN與VOUT斷開不進行重新連接；若ADJ_RESTART端通過電容接地，當出現(xiàn)過流時，VIN與VOUT斷開后進行重新連接，若重連后仍然過流，則再次斷開繼續(xù)重連，直至過流消失，VIN與VOUT連接。

圖1 模塊邏輯功能框圖

3 原理、板圖設計及SiP技術流程

3.1 模塊電路的基本原理設計

本設計的限流保護器是通過對電源端的電流信號進行采樣，并將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號大小與設定的參考電壓值進行比較。當轉(zhuǎn)換后的電壓信號值大于參考電壓時，這種情況下，限流保護器流過的電流達到限定的電流值，此時，通過后續(xù)動作，切斷限流保護器中的開關管，電源與負載開路，從而起到保護作用。當轉(zhuǎn)換后的電壓信號值小于參考電壓時，這種情況下，限流保護器流過的電流未達到限定的電流值，限流保護器不會有任何動作，電源持續(xù)給負載提供電流。

通過外配電阻可改變參考電壓的值，從而可用于設定不同的限流大小?；驹砣鐖D2所示。

3.2 模塊電路的板圖設計

該模塊采用分層堆疊式立體封裝結構，各層的基板采用FR4材質(zhì)PCB，元器件直接焊接在PCB上。各疊層間互連信號通過模塊側(cè)面的金屬鍍層實現(xiàn)電氣連接[3]。

圖2 限流保護器的基本原理

該模塊電路中包含62只元器件，要封裝在15×15×12mm3大小的模塊中，空間有限。模塊采用3層PCB構成，每層PCB尺寸設計要小于模塊封裝尺寸（15mm×15mm），為了提高集成度，節(jié)省空間，因而PCB布線采用4層走線。從下至上，第一層為引腳及開關層；第二層為電流檢測與模塊使能層、第三層為狀態(tài)處理及信號控制層。

1)模塊疊層板第一層（底板層）

大功率器件（MOSFET）放置在模塊的最底層，在模塊灌封時使它緊靠在模塊的底部，便于散熱。同時，模塊底板層用來實現(xiàn)模塊與外部引腳的連接。在PCB(0.6mm厚)板上控制好電源與地線的走線寬度。

2)模塊疊層板第二層

模塊疊層板第二層由0.6mm的PCB、比較器、電阻網(wǎng)絡、電壓基準、穩(wěn)壓電源及使能控制等構成。

3)模塊疊層板第三層

模塊疊層板第三層由0.6mm的PCB、邏輯控制、電荷泵、狀態(tài)處理等單元構成。

設計過程中，為了減小電壓壓降，降低耦合噪聲，盡量加粗電源線和地線；為了減少高頻噪聲的發(fā)射，進行合理布局，避免90度折線；同時利用電路板的內(nèi)電層，有效屏蔽輻射干擾和抑制電路本身的電磁輻射。布線時，電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。利用電路板的內(nèi)電層，屏蔽輻射干擾和抑制電路本身的電磁輻射等[4]。

3.3 模塊電路的SiP技術流程

三層之間的信號通過側(cè)面的金屬鍍層和激光蝕刻槽來實現(xiàn)互連。SiP工藝步驟主要包括：堆疊、灌封、切割、表面金屬化(鍍層厚度為 10～20μm)、激光雕刻、引腳成型等[5-6]。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 模塊封裝工藝流程圖

其中，堆疊是通過物理方法控制模塊三層疊片板之間的距離，確保三層疊片板之間的電氣安全以及模塊的整體高度。封是將堆疊好的疊片板放在灌封模具中，將灌封材料注入模具中形成模塊的基本形狀。該工藝需要對灌封材料進行評估試驗，包括灌封材料的粘度、熱膨脹系數(shù)等性能指標。要確保灌封后的模塊在相應的環(huán)境試驗中不會出現(xiàn)分層和裂紋等現(xiàn)象。切割是對灌封后的模塊進行整體切割，確保模塊的整體尺寸，及外表面的整齊與光滑性。表面金屬化是通過在表明噴涂金屬漆，使各層以及引腳之間進行電氣連接。激光雕刻是通過激光，將模塊表面的金屬化漆進行切割，確保正確的電氣連接。

4 結束語

本設計限流保護器模塊是基于SiP技術進行設計，能夠完成保護ASICs或FPGAs等對單粒子鎖定效應敏感的電子器件的任務。設計過程中對電路的功能、性能、參數(shù)指標等要求，均采用余量設計，保證模塊能夠滿足設計需要。通過抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑、提高敏感器件的抗干擾性能等設計手段確保電路的可靠性。再通過搭建電路驗證板進行測試來驗證電路的各項參數(shù)性能，確保模塊能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能，滿足設計要求。本設計限流保護器模塊經(jīng)過設計驗證后，進行了生產(chǎn)加工并形成了產(chǎn)品，在實際應用中，能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能，對系統(tǒng)進行保護。本設計的完成及成功應用，對SiP技術在微系統(tǒng)集成應用上具有實踐意義[7-8]。