1引言 手机和笔记本电脑等有代表性的移动电子机器，由于多媒体技术的进步，使用时间增长，应用软件日益丰富，近年来得到迅速普及，并高速度地向小型、轻量、高性能方向发展。 便携式电子机器，内部需设多个元器件，以满足多种功能的要求，各个电子线路和LSI使用多种电源电压。这种电压变换，通常采用dc-dc变换器或电压降（drop）等措施。近年来随着电子机器节能要求的日渐强烈，须使用变换效率高的电源装置，时下对运用IC控制的开关式小型dc-dc变换器的需求也高涨起来。 各国在dc-dc变换器小型化方面已取得明显的进步，单片电源已相继上市。另一方面，在变换器结构元件中，即使是体积很大的电感器，采用磁性薄膜和平面线圈这种薄膜制造技术，在小型化方面也有显著的进步。 为了减小dc-dc变换器的厚度，小野等人采用薄膜磁心和螺旋形线圈构成电感器，将其和电源控制IC裸芯片封装在同一个外壳内，构成一个仅厚1.0mm的单片封装降压型dc-dc变换器，这种变换器无干扰，散热良好，采用树脂灌封，故可靠性高。本文报导该变压器模块的结构、电气性能评价和热性能分析。 2降压型dc-dc变换器的构成 图1是为满足上述市场需求开发的非绝缘型降压dc-dc变换器的基本电路。这个电路由开关晶体管Tr1、同步整流用晶体管Tr2、电感器L和电容器C构成，它是在Tr1导通（ON）输出的同时把能量贮存在线圈内，Tr1关闭时释放贮存的电流并使之平滑化，减少能量损耗，供给比输入电压低的输出电路。 2.1目标电气性能指标 开发的dc-dc变换器电气性能指标列于表１。由于便携式机器主要使用锂电池，故输入电压Ｖin定为3.0 ～5.0V。按现行便携式信息机和使用低电压驱动LSI的器件，输出电压Vout以1.5～2V的驱动电压为主流。不过，尚在考虑进一步降低驱动电压，为适应将来采用1V以下的驱动电压要求，将输出电压定为0.8 ~ 4.8V（可变）。另外，当Vout=2.0和0.8V时，规定电压变换效率分别是90%和70%以上，输出功率定为1.5W。 2.2dc-dc变换器的构成 新产品的目标是实现总尺寸6.0×6.0×1.0mm3的模塑封单片微型电源。为了达到变换器的小型、薄型化，特别是要将总厚度控制在1mm以下，按照图1给出的电路结构，采用电源控制IC裸芯片和使用薄膜磁心的平面线圈电感器，另外，考虑到散热问题，不用封装基板。 2.3电源用的控制集成电路（IC） 电源控制用IC，由开关晶体管Tr1、Tr2和控制电路组成，是外形尺寸为2.0×1.3×0.25(厚)mm3的硅裸芯片。工作频率800kHz，同步整流采取脉宽调制（PWM）和电压频率调制(VFM)切换方式，新产品用VFM。输入电压Vin=3.0～5.0V，输出电压Vout=0.8～4.8V。此IC芯片的最高额定温度系硅芯片的150℃。 2.4薄膜磁心绕组电感器 薄膜磁心绕组电感器的结构列于表2并如图2所示。为了实现dc-dc变换器的小型化，用CoFeSiB/Sio2多层膜和聚酰亚胺片复合叠层磁心，绕上2层螺旋形线圈构成电感器，并将其置于作为焊接点用的基片（MPS基片）上。复合叠层磁心，置于12.5μm厚的柔性聚酰亚胺上的两面上，交替沉积6层500nm厚的CoFeSiB软磁膜和50nm厚的SiO2绝缘膜，总的叠层数为8，故在高频下具有降低交流损耗的效果。考虑到电感器的发热问题，使用涂复有120℃耐温层的铜扁线（75×150μm），绕成2层螺旋形线圈。 新开发的电感器是在复合叠层磁心上加绕组（4.4×2.3×0.45mm3）置于MPS基片（4.4×2.7×0.15mm3）上的结构，系总尺寸为4.4×2.7×0.6mm3的薄型器件。电感器的电气性能指标汇于表3。最大电流容量0.3A，开关频率f=800kHz时，获得电感值LS=5.0±0.5μH，RS=1.4±0.1Ω。如图3（a）所示，在100kHz～10MHz频率范围内，L值无变化，显示优异的高频特性。从图3（b）看出，电流容量到0.4A，L值也基本保持恒定，故作为平滑用电感器，完全能满足实用电源的要求。 3单片封装型dc-dc变换器的封装设计 单片封装型dc-dc变换器是把电源控制IC和电感器L置于同一外壳内，为了散热良好，不用封装基板，实现了小型、低高度、封装面积小的模块化结构。封装件和电极用导线焊接，在电极面之外用环氧树脂灌封，故有下列特点： a.无引线骨架的干扰，实现了低高度封装和良好的散热性。 b.采用了凸缘端子。 图4是试制dc-dc变换器的模型：（a）内部构造，（b）外表形状，（c）后视图。这种结构系将全部封装件塑封，只有里面的电极露出在外，根据需要，也可以将电容器封在里面。把IC和L用环氧树脂封装成“虚构架”，环氧树脂灌注在虚构架外的四周，之后除去构架；在封装过程中，IC和L下面只剩下0.05mm厚的环氧树脂。由于没有使用封装基板，故IC和L只由封装材料固定。电源主要构件，搭接线和电极，全由封装材料—环氧树脂固定，形成无支撑基片、无干扰的单片封装dc-dc变换器，尺寸为6.0×6.0×1.0mm3。电极端子共有7个，即有电源输入端Vin、Vin1，电压输出端Vout，接地端子AGND、PGND，芯片启动端子CE和反馈端VFB。 和原有安装在分立板上（onbord）的产品（8.0×8.0×0.9mm3不包括基板）比较，新品封装面积约减少43.7%，体积缩小37.5%左右，实现了小型化。 4单片封装微型电源性能评价 4.1电气性能 图5示出了样品变换效率的检验结果。图5a表示输出电压Vout=2.0V时的变换效率随输出电流Iout的变化。取Vin=3.0V的峰值输出电流Iout=30mA，获得电压最大变换效率92%；它和原来将分立元件封装在印刷电路板上的产品效率相同。图5（b）是Vout=0.8V时的变换效率特性曲线。取Vin=3.0V时的峰值Iout=30mA，得最高变换效率70%，已达到设计目标值。 4.2发热特性的评价 图6示出单片封装微型电源的发热特性评价结果。其检验方法是：把样品放在玻璃环氧树脂制作的印刷电路板上，在周围温度Ta=+21℃的自然散热条件下，测定实际工作中的外壳表面温度。在输出电流最大、效率最低的条件——Vin=5.0V，Vout=0.8V，Iout=0.3A下，变换效率是45%。这时环境温度Ta=+21℃，表面温度约49℃，表面温度约上升△T=28℃，处于热平衡状态（当时的功耗约0.298W）。电源实际工作中损耗的发热量，可以充分散逸。证明了这种封装是热（变电）阻很小的结构。 5讨论 5.1封装热阻 按图7给出的封装结构模型，计算dc-dc变换器样品的热阻如下： 设热阻为Zth， 式中，T—材料的导热系数(W/m·K)，d—材料的厚度(m)，S—材料的面积(m2)。 容许损耗PT: （2） 式中，Tmax—发热部位的最高温度（℃），Tc—外壳温度（℃）。 用结构模型单独计算各个元件（控制IC，薄膜磁心绕组电感器）的热阻。若按最高额定工作温度（Tj，Topr）计算容许损耗，如表4所列，IC部分为88.7(℃/w)、0.846（W），电感器部分的热阻和容许损耗分别是135.8(℃/w)、0.331（W）。 5.2总损耗 试验评价dc-dc变换器的最大损耗是在Vin=5.0V、Vout=0.8V和Iout=0.3A时，这时的变换效率仅45%，约损耗功率0.293W，它由薄膜电感器L和控制IC两部分的损耗组成。这时的输出功率Pin=0.533W。 5.3各个元件的损耗 dc-dc变换器各构件工作时的损耗列于表5 a.薄膜磁心电感器的损耗由两部分组成：薄膜磁性体的铁损和绕组线材的铜损。电感器的薄膜磁心是在聚酰亚胺膜两面上交替沉积有6层CoFeSiB/SiO2(t=500nm/50nm)的多层膜磁性体。其中CoFeSiB膜的电阻率为120μΩcm，在多层膜的场合，表观经验值使用500μΩcm。在IC用800kHz驱动时，涡流引起的铁损是Rdc引起损耗的2倍。由此用高频电阻RS，求出包含铁损和铜损的电感器损耗是0.135W。 b.从总损耗0.293W中减去电感器的损耗0.135W，就得到电源控制IC的损耗0.158W。这是由开关晶体管和整流晶体管造成的开关部位和控制部位的损耗。 由电源控制IC和薄膜电感器各自的热阻，求得两者的损耗分别是封装容许损耗的18.7%和40.8%，可以认定，这种封装结构对结构元件的发热具有充分的容许损耗。 再则，计算损耗最大时控制IC和薄膜电感器内部的最高温度，如表5所列，对硅半导体的额定温度150℃而言，前者为63.0℃；后者是67.3℃，而绕组线材镀层额定的耐热温度是120℃，可见它们内部的最高温度都远低于额定温度。 另外，使用Maxwell 3D ver.9 Thermal模拟软件，计算在这个损耗最大的工作条件下电感器本身的温度分布，结果示于图8。获得的最高温度是大约65℃，这与用上述工作状态的发热特性和封装结构求得的值大致吻合。 参考文献 小野敏明等，日本应用磁气学会誌，2004年4月28卷4期第597～601页。