使用薄膜电感器的全单片DC-DC变换器
A Completely MoHolithic DC-DC Conrerter with a Thin Film Inductor


1 引言
近年来，以迅速普及的手机和笔记本式电脑为代表的便携电子机器，多数都采用将主电源——电池的输出电压变换成驱动机器电子线路、LSI、显示器等各自的电源电压这种内部电源电路。为了使这些电子机器携带更方便，进一步要求它们的结构元件，包括上述电源电路小型轻量化，提高所用电池长期工作的效率。
另外，锂离子二次电池由于充电能量密度高，已成为目前便携电子机器用电池主流产品。这种电池每只的输出电压是3.6V，而LSI的电源电压现仍在2V以下。随着高集成加工的微细化，LSI的工作电压还有逐年降低的趋势，从抑制LSI的功耗着想，也在进一步推进低电压化。因此，正在寻求一条扩大电池电压和LSI电源电压之差的道路，越来越需要高效率降压的小型电源电路。
原来，特别是手机，大多数都使用线性调节器作内部电源电路，因为它们使用的元件个数少，有利于小型化，容易实现低噪声。可是，线性调节器采用晶体管吸收相当于输入/输出电压差的电源，输出电压V0和输入电压Vi之比V0/Vi就变成了功率效率的上限。这样，V0和Vi的差愈大，效率就愈低。因此，用开关调节器来作便携或电子机器的内部电源电路，以代替上述降低方式，这有利于提高变换效率，其用途不限于手机，还在扩大。对于尺寸和采用3端调节器相等或者比它小的开关调节器的需求，十分强烈。
为了满足上述要求，减小电源电路结构元件中占有体积最大的电感器、变压器等磁性元件的尺寸，正在运用半导体薄膜制造工艺形成薄膜电感器磁性元件，开发将其集成的小型电源电路。
本文介绍开发的超小型开关式DC-DC变换器，它是把控制电路和功率MOSFET直接做到LSI上，加上薄膜电感器，构成一种全单片式模块。

2 单片DC-DC变换器

图1示出薄膜电感器的结构设计概念。这种电感器系平面叠层结构，即图中那样，把绝缘膜放在平面线圈导体的上下两面，外面用两磁性膜将其夹在中间。它的电感量虽比原来的绕线型电感器小，但是，可以采用半导体制造技术作到硅和陶瓷基片上，厚度能达到亚毫米尺寸，容易薄型化；按其形状和半导体元件叠层集成化，可获得进一步小型化的效果。



图2是开发的降压型DC-DC变换器模块的电路结构。它系降压型斩波电路， 薄膜电感器作直流平滑用电感器，是由图中虚线示出的脉宽调制（PWM）控制电路、MOSFET和薄膜电感器叠层集成一片的单片结构；薄膜电感器是用半导体制造技术，直接作到尺寸为4mm×5mm，集成有PWM控制电路和MOSFET的电源集成电路芯片上，电感器的尺寸是4mm×4mm。图3是开发的单片DC-DC变换器芯片的外观照片。
降压型DC-DC变换器模块，是在单片DC-DC变换器芯片上追加肖特基势垒二极管（SBD）、输入/输出平滑电容器Ci/CO等外部元件构成的。图4给出降压型DC-DC变换器模块的内部结构照片。一个输出1W级的DC-DC变换器模块，加上外围元件，外形尺寸是9mm×10mm×1.8mm，输出功率密度6.2W/cm3实现了超小型。以薄膜电感器为首，在充分利用MOSFET等各个构成器件性能的条件下，开关频率用3MHz作为标准。

3 单片DC-DC变换器各组成元部件的制作
3.1 PWM控制电路
脉宽调制控制电路由发生脉宽调制信号的误差放大器、三角波振荡器、比较器和驱动MOSFET的驱动器组成。这次开发的PWM控制电路，用CMOS降低功耗，通过改进电路方式和减小器件尺寸提高电路运行速度，驱动频率1～6MHZ，除了驱动器外，控制部分消耗的电流仅0.7mA。估计锂离子二次电池等的电池输入，将电源电压设计在2.5～6V内，可以和各种输出电压对应，这样，驱动器的输出允许在降压、升压和同步整流降压这3种方式中作出选择。
3.2 MOSFET


通常，电力开关多用立式结构的MOSFET。但是，这种立式MOSFET从结构上虽可以减小开启电阻，却会使输入电容CiSS、输出电容COSS、反馈电容CrSS增大，从而难以提高工作速度。所以，本单片DC-DC变换器使用了一种卧式两层MOSFET（LDMOSFET）。和立式MOSFET比，它的运行速度快，适宜集成到IC上。这次开发的MOSFET对栅、源、漏电极进行了改进，在导通电阻-断开损耗特性之间作了折衷选择，如图5所示，比市售的立式MOSFET有大幅度的改善。表1中列出了新开发MOSFET的各个参数。
3.3 薄膜电感器
3.3.1 用溅射薄膜的薄膜电感器
采用半导体制造技术，在前述集成有PWM控制电路和MOSFET的4×5mm2功率集成电路芯片上，制成了薄膜电感器。


磁性材料使用C0系非晶CoHfTaPd单层膜，置于平面线圈的上下两面上。
磁膜用射频磁控溅射法，在50W、0.6Pa条件下制成。之后，在48kA/m旋转磁场中以375°C热处理，再在这个磁场强度下，以400°C静态磁场热处理。制得磁膜的磁性能指标列于表2中。线圈是用电解电镀，使感光性聚酰亚胺镀层图形化制成。这时候，线圈导体的厚度为35μ m。图6示出在功率集成电路上形成薄膜电感的单片DC-DC变换器的一部分剖面。
3.3.2 加铁氧体片型薄膜电感器
为了进一步提高使用溅射磁膜电感器的DC-DC变换器的变换效率，在维持电感L值的同时，需要考虑降低电阻的问题。为此，必须减小直流电阻Rdc，即应当把线圈导体做得厚一些。但是，在上下磁膜都用溅射膜的结构中，只增加线圈导体的厚度，L值会随着导体厚度的增加而下降。另处，在制造工艺上，线圈导体上面的平坦性变差，在上面形成磁性层的工艺会复杂化。



因此，为了减小Rdc值，考虑了用尺寸大致与下部磁膜相同的Ni-Zn系铁氧体片作上部磁层，粘贴在线圈上这种设计方案。在封装DC-DC变换器模块时，采用模塑工艺，把铁氧体片贴附在薄膜电感器的线圈导体位置上。线圈，用电解电镀光致抗蚀厚膜形成，厚度是70μ m。图7是采用贴铁氧体片型电感器的单片DC-DC变换器的部分剖面照片。表3列出了两种薄膜电感的技术规格，它们在3MHz的直接叠加特性曲线绘于图8中。
3.4 降压型DC-DC变换器模块的封装
降压型DC-DC变换器模块，采用焊球阵（BGA）封装法封装。为了减小封装面积，用4层布线结构的玻璃-环氧树脂基片作外壳基板。用银膏，把单片DC-DC变换器、片式二级管和电容、电阻片式元件装配到基板的一面上。
封装芯片后，用模压塑料封闭，在基板里面的布线焊接区进行焊球焊接。除焊球外，试制的降压型DC-DC变换器模块的封装尺寸为9×10×1.8mm3。

4 降压型DC-DC变换器模块的工作认证


在输入电压为4V时，测得降压型DC-DC变换器模块的输出电压3V，输出功率1W。图9是其各部分的工作波形，图10示出输出电压的波形。图中，VGS、VDS分别代表P值沟MOSFET栅-源级间和漏-源极间的电压波形，VKA——SBD的阴极-阳级间的电压波形。如图9所示，试制的单片DC-DC变换器，用3MHZ频率开关，工作速度很快。从图10还可以确认，降压型DC-DC变换器模块的输出是纹波极少的直流电压输出。此外还认定，即使在没有肖特基二极管（SBD）的状态下，用同步整流降压方式工作也能够得到稳定的输出，保证正常工作。

图11绘出输入电压4V，测得输出电压3V的降压型DC-DC变换器模块的输出-效率特性曲线。在有效输出功率为1W时，用溅射薄膜电感器和用粘贴铁氧体片型薄膜电感器的变换器模块，各自的变换效率分别是80.5%和84.0%，确证比线性调节式DC-DC变换器的理论上限效率[=VO/Vi×100（%）]分别高出+5.5%和+19.0%。

5 总结
本文简要地介绍了一种全单片式超小型开关DC-DC变换器的概况，它是将薄膜电感器集成到控制电路和功率管MOSFET一体化的大规模集成电路（LSI）芯片上构成的。说明，采用把薄膜电感器直接集成到LSI上的这种结构，单片化不会引起LSI的误动作等问题，工作正常。试制产品的最高效率达到84.5%;目前正在寻求进一步提高其性能和减小尺寸的途径。
这里介绍的电源技术，可望对今后便携式机器的高性能、高功能化，以及对信息、通信等电子机器的发展作出大的贡献。

参考文献
1、日本应用磁学会2001年25卷第8期 1457页。