在功率IC上集成的平面电感器而制作的微型DC-DC变换器 Micro DC-DC conventer on power IC using integrated planar inductor 1引言 利用半导体生产工艺和微机械加工技术，制造高效率和小尺寸电源器件的研究已取得较大的进步。研究的目的是瞄准实现单片电源，即把所有的元件在一个硅基片上集成。本文描述一种1W升降压型DC/DC变换器的主平面电感器，它在硅基片的功率集成电路上集成一个平面电感器。 2 DC/DC变换器的结构 图1示出了试验用的DC/DC变换器的照片。图2示出了该电路的结构，表1列出了DC/DC变换器模块的技术条件。功率集成电路IC的尺寸为4mm×5mm，并由新型PWM控制器和MOSFET所组成。PWM控制器由下列几部分所组成：驱动MOSFET的驱动器，误差放大器，一个三角波振荡器产生PWM信号。除其他驱动器之外，一个高驱动频率2-6MHz和低电源电流0.7mA是通过CMOS工艺实现的，同时由于改进了电路并使器件小型化，从而增加了电路的速度。作为MOSFET管而言，将用作于双侧面扩散的MOSFET（亦称LDMOSFET）。在已知运行条件下，LDMOSFET更适于作主开关。 平面电感器具有4mm×4mm的尺寸，并是“三明治”式结构，它由16μH层螺旋线圈组成。上下厚度为9μm，材料为CoHfTaPd非晶磁性膜片。利用这一集成电感器，可方便地将分立元件分开安装在功率IC上，可以实现一个薄且小尺寸的DC/DC变换器。模压DC/DC变换器模块后封装的尺寸是10mm×10mm×1.8mm。 3平面电感器 3.1平面电感器的设计 为了使DC/DC变换器在高频率工作，有必要使其工作在连续导通模式（CCM），电流连续地流入电感器。在升降压DC/DC变换器运行在CCM状态和3MHz的开关频率下，需要大于0.6 的大电感。所以该平面电感器采用了9μm 的薄磁膜片。 在设计升降压的DC/DC变换器的平面电感器时，不仅必须设计电感器的高频特性，而且还要设计叠加的直流电流特性。图3示出了当DC/DC的 一定时，由电磁仿真而产生的平面电感器的电感量L和品质因素Q与效率以及效率与匝数变化的关系曲线。举例计算，当N为10－18匝，线圈导体的厚度tcoil为10，35，50和65μm，该平面电感器的尺寸是4mm×4mm，磁膜片厚度tmag=9μm，开关频率fs=8MHz（按输出功率PO=1W，输出电压VO＝3V计算），叠加电流IDC为350mA。当PL为最小值时，N=18匝，tcoil＝65μm，最大效率可计算为80％。在16层18匝，当tcoil＝35μm 和更大值时， 变为饱和。该平面电感器是在N=16、tcoil＝35μm 时制造的。 3.2制造 a.磁膜片：用CoHfTaPd非晶体软磁膜片制造这种平面电感器的薄磁膜片。磁膜片使用射频范围的阴极溅射方法沉积（50W和0.6Pa）。沉积膜片具有随机的各相异性特性，需要采用两步退火处理。第一次，在375℃进行退火，且以48kA/m的旋转磁场减少在沉积状态的各相异性。第二次，在400℃的真空中产生48kA/m的静态磁场，以增加其单轴趋向磁性能。 该磁膜片是混合物，其中Co88.8，Hf4.5，Ta5.9，Pd0.8（以％计），饱和磁感应为1特斯拉，矫顽力为40A/m，以及1.080A/m的各相异性磁场。 b.平面电感器：图4示出了在功率IC上制作的平面电感器的制造过程。导体是使用电极板以及感光聚酰亚胺进行模压的。在完成了电感器的结构以后，用等离子蚀刻在电感器的外围电路的主要焊盘上。最后，对膜片进行旋转磁场的退火和静态磁场的退火。螺旋形线圈的参数包括：绕组导体宽度93μm，厚度35μm，内部导体宽度20μm，导体线圈和磁膜片之间的绝缘层厚度10μm。图5是平面电感器的顶视图，它已在功率IC上作了集成。 c.特性：图6示出了在3MHz开关频率上叠加了直流电流。电感值随着直流电流的增加而大大地降低。在叠加350mA直流电流和3MHz开关频率的交流电情况下，平面电感器具有下列特性：L=0.96μH，交流电阻RAC=4.2Ω，直流电阻RDC=4.2Ω和Q=4.3。 4 DC/DC变换器的特性 图7示出了DC/DC变换器模块在Vi＝4V，5V和6V以及VO＝3V时测得的功率和效率之间的关系曲线。在 Vi＝4V，5V和6V时，PO=1W，效率分别为77.5%，73.7%和69.7%。 正如试验结果所示，平面电感器的集成对功率IC运行无影响。 5结论 已经在功率IC上用集成平面电感器制造了小尺寸的薄型DC/DC变换器。电感器单元的尺寸为4mm×4mm，IC的尺寸为4mm×5mm，他们都是很小的。 进一步的目标是实现更高的效率和开发大批量生产的工艺技术。