用薄膜电感器制成的工作频率达MHz的单片高功率密度DC/DC变换器

摘要
本文介绍了一种最近才研制出的DC/DC变换器集成电路，称为单片DC/DC变换器。它是把薄膜电感器和功率集成电路组合在一起，称为微型集成模块。变换器中的薄膜电感器经过射频溅射、感光性材料聚酰亚胺的平版印刷以及电镀等处理工艺而制成并安装在功率集成电路上。这种变换器在输出能量为1W时的功率密度达到5.6W/，并且在开关频率为3MHz时的最大效率为83.3%。

1． 引言
近年来，那些以蜂窝电话和笔记本电脑为代表的便携式装置的体积越来越小。这就需要有体积小、重量轻、性能好的DC/DC变换器。为了满足这种需求，人们已经研制出了一种利用薄膜电感器和高频开关技术的微型DC/DC变换器。
图1所示的是一种典型薄膜电感器的示意图。这种薄膜电感器由平面线圈、绝缘层和磁性层组成。利用显微制作技术，将只有亚毫米厚的薄膜电感器安装在硅或陶瓷基上片。尽管这种薄膜电感器的电感系数比以前由磁心、线圈组成的传统电感器低一些，但它更适应于微型化。正因如此，人们提议将几种薄膜电感器应用到微型DC/DC变换器中去，并且已经论证了这种由薄膜电感器和高速转换半导体设备（工作频率达到MHz的MOSFET、PWM调制器）组成的微型DC/DC变换器。

图1
这些微型DC/DC变换器的外形尺寸比传统的DC/DC变换小得多。然而，它们的安装空间并非足够小，并且薄膜电感器之间仍然比较分散。因此，人们就迫切希望能够将薄膜电感器和其它半导体器件安装在同一块硅基片上。
本文作者已经研制出一种将薄膜电感器、PWM调制器和MOSFET组装在一起的DC/DC变换器集成电路，并且利用这种集成技术研制出了微型DC/DC变换器模块。在本篇中，我们将介绍这种集成电路和微型DC/DC变换器模块的设计，安装以及性能。

2． 单片DC/DC变换器
图2所示的是最近才研制出的微型DC/DC变换器模块电路图。这种拓扑电路是一种斩波器。在斩波器中，薄膜电感器被用作DC电感器。电路图中被虚线包围着的薄膜电感器、PWM调制器和MOSFET组成了单片结构。尺寸为4mm×4mm的薄膜电感器与PWM调制器和MOSFET一起安装在尺寸为4mm×5mm的功率集成电路上。微型DC/DC变换器组件由DC/DC变换器集成电路、肖特基二极管、输入电容Ci和输出电容Co组成。

图2
与由分散的薄膜电感器制成的微型DC/DC变换器相比，最近才研制出的这种将薄膜电感器和功率集成电路安装在一起的微型DC/DC变换器的尺寸要大大减小了。

3． 单片DC/DC变换器的设计
由于这种薄膜电感器的磁路是开放的，因而相对于传统的线圈式电感器而言，它的电感系数更小，损耗更大。要想获得更高的工作效率，就必须使微型DC/DC变换器的设计达到最优化，例如开关频率的确定，薄膜电感器尺寸的选择，MOSFET性能的选择等等。
下面我们来介绍如何确定开关频率，以及如何使薄膜电感器的尺寸达到最优化。先假定变换器的输入、输出电压分别为5V、3V，输出功率为1W。
3．1开关频率的确定
斩波器有两种工作模式。一种是不连续传导模式（DCM），在这种模式下，电流不连续流向DC电感器；另一种是连续传导模式（CCM），即电流连续流向DC电感器。在DCM模式下，由于涡流和MOSFET开关损耗都增加了，变换器的运作效率就大幅度降低。因此，单片DC/DC变换器的开关频率一定要大于DCM模式和CCM模式之间的临界频率。这种临界频率可由下式表示：
（1）
式中，fs为开关频率，L为薄膜电感器的电感系数，V1、Vo分别为变换器的输入、输出电压，Io为变换器的输出电流。图3所示的是在V1=5V、Vo=3V，输出功率Po（=VoIo）=1W时的临界频率值。如果估计L的值为1μH，则选择的开关频率为3MHz，这就比图3中的临界频率高了一倍。

图3

图4
3． 2薄膜电感器的最小损耗和最佳电感系数
由于电感器上的电流是直流和交流电流之和，因而在开关频率为fs时的电感器的损耗可表示为：
（2）
式中是电感直流损耗，是电感交流损耗，是电感器的直流电阻，是频率为fs时的交流电阻。
假定、与螺旋线圈电感L成比例，借助于关系式V=Ldi/dt和=，和可分别表示为
（3）
（4）
式中，和为比例常数，并且=RDC/L，=RAC/L。
由（3）、（4）式我们看到，与L成正比关系，与L成反比关系。因此，当=为的最小值，为=时的电感系数，则、可分别表示为
（5）
（6）
为了尽可能减小电感损耗，可以将薄膜电感器设计成直流损耗与交流损耗相等。

3．3薄膜电感器尺寸的选择
由式（5）得，取决于和的乘积，即/。
为了使电感器高效运作，就需要有高的品质因数和直流饱和电流。要想获得高品质因数，电感器的磁性层必须很薄；然而要想提高直流饱和电流，磁性层必须较厚。因而需要根据性能要求来权衡两者之间的关系。换句话说，改善某一方面就会损害另一方面，因而未必一定能提高变换器的运作效率。综合各种因素，单片DC/DC变换器的最佳磁性层厚度为9μm。
磁性层厚度为9μm，平面线圈的匝数为10、12、14、16匝时的L与、的关系如图5所示。由图可得=0.816，=5.915。将数据代入式（6），得到=0.93μm。将计算值与实测值作一下比较，我们发现16匝的实测值（L=0.95μH）与计算值最接近，因而这是最佳设计。

4． 单片DC/DC变换器的安装
4．1 PWM调制器
PWM调制器包括两个驱动器（对于N沟道和P沟道MOSFET）和一个误差放大器。误差放大器有三角振荡器和比较器组成，用来产生PWM信号。PWM调制器的振荡器工作频率范围为2--6MHz（典型的为3MHz）。通过CMOS处理，以及设备的最小化，我们可以得到电源电流为0.7mA（不包括驱动器）。在锂电池设备中，输入电源电压为2.5-5V。利用模式选择管脚，可以选择buck、boost、buck (synchronous rectifying)三种工作模式。
4．2 MOSFET
如上所述，PWM调制器的工作频率很高，达到了1MHz以上。因此，对MOSFET来说，要减少开关损耗，必须提高开关速度。
在单片DC/DC变换器中，我们采用Iateral 双向扩散MOSFET（LDMOS），并安装在集成电路中，适合于高速运作。
通过对传统的LDMOS的门电路、主干和支干结构的修正来改善新研制出的LDMOS的电阻和关闭损耗之间的权衡关系。支路电流ID（off）为0.5A时的电阻与关闭损耗之间的关系如图6所示。
最近研究出的LDMOS的规格如表I所示。

4． 3薄膜电感器
利用显微安装技术将薄膜电感器安装在尺寸为4×5mm的功率集成电路中，这种集成电路包括上面介绍的PWM调制器和MOSFET。
夹着平面线圈的两层磁性层是由一层CoHfTaPd薄膜构成的。CoHfTaPd是一种Co基非晶体磁性材料。CoHfTaPd薄膜是由射频磁控管在射频功率为50W，大气压为0.6pa的条件溅射而形成的。经过在48KA/m的旋转磁场中375℃的退火后，沉积的CoHfTaPd薄膜还需在48KA/m的直流磁场中进行400℃的真空退火，以此来诱导它的单轴磁各向异性。这种薄膜的规格所需表II所示。

平面线圈是由金属铜用感光的聚酰亚胺印刷版和电镀处理后而形成的。这种的薄膜电感器是安装在功率集成电路中。单片DC/DC变换器我们可以看到如图7所示的画面。图8所示的是它的截面图。
薄膜电感器的规格如表III所示。

5． 微型DC/DC变换器模块的安装
微型DC/DC变换器模块是由单片DC/DC变换器、二极管、电容和电阻构成的。本文图2所示的安装好的微型DC/DC变换器模块是一种nonsynchronous buck.。
微型DC/DC变换器模块的安装采用的是BGA安装法。为了尽可能减小它的尺寸，我们将四层环氧玻璃钢板印制的电路板（PCB）作为安装底板。由肖特基二极管、电阻、电容芯片等元件组成DC/DC变换器，安装在银树脂印刷板上。
图9所示的是微型DC/DC变换器模块在用树脂固定之前的俯视图。安装后，模块用树脂固定，然后用焊锡将它焊牢。固定之后，模块的尺寸为10×10mm（包括焊锡球），它的厚度为1.8mm。
微型dc/dc变换器模块的规格表IV所示。

6． 试验结果
我们对微型DC/DC变换器模块进行了测试，得到了它的特性。图10所示的是当Vi=5V，Po=1W时的电压波形，其中Vo为输出电压，VKA是肖特基二极管阴极-阳极之间的电压。微型DC/DC变换器模块的工作频率为3MHz，校正输出电压为3V。正如观察到的VKA升降次数，LDMOS开关速度已经达到了足以与3MHz工作频率相适应的程度上了。
图11显示了当Vi分别为4V、4.5V、5V时的微型DC/DC变换器模块的变换效率。在输出功率为1W，Vi分别为4V、4.5V、5V时，其运行效率分别为81.9%、78.7%、75.9%。Vi分别为4V、4.5V、5V时的最大运行效率可分别达到83.3%、79.5%、76.3%。
由实验结果可以看出，薄膜电感器的组合并不影响功率集成电路的运作。

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11
7． 结论
为了推进动力设备的小型化，我们已经研制出单片DC/DC变换器，其中把薄膜电感器、控制电路和MOSFET安装在一起构成微型DC/DC变换器。
经过射频控管溅射、感光材料聚酰亚胺的印刷版和电镀处理后，尺寸为4mm×4mm的薄膜电感器被安装在尺寸为4mm×5mm的功率集成电路中。在开关频率为3MHz时，这种DC/DC变换器的功率密度达到了5.6W/，最大变换效率可达83.3%。