1前言
装在移动电话、个人数字助理等便携式电子设备内的电源，越来越要求其体积小、厚度薄、重量轻，并且工作时间长。因此，从1994年起陆续就有多种使用薄膜电感器和变压器的微型直流变换器报告。
此外，LSI电路的电源工作电压在逐年降低。目前，主要以1.5V或1.2V工作。
另一方面，便携式电子设备主要使用输出电压为3.6V的可充电锂离子电池。由于电池电压和LSI工作电压间的变换比提高，消耗电流增大，因此，变换效率就成了人们广泛关注的问题。于是，在移动电话中，人们就探索用开关直流变换器替代串联调压器，因为直流变换器在高变换比方面效率高是一大优点。但是，通常使用的直流变换器尺寸比串联调压器大，故而要求减小它们的尺寸和厚度。
为了满足便携式电子设备市场上提出的这个要求，已开发出了甚小且薄的直流变换器模块。下面，介绍新开发的直流变换器片式模块（CSM）。
2设计概述
这种直流变换器模块属于单输出降压型变换器，它将控制IC和电感器集成为一体。为了达到最佳的变换效率且使尺寸减至最小，在设计上考试虑了以下几点：
a.优化开关器件，使其适合于1MHz级的高频工作。
b.优选低功耗电感器结构和材料。
c.小尺寸模块结构。
模块的特征是：
a.模拟尺寸3.5×3.5×1.0（mm）；
b.输出功率1W（最大）；
c.效率93.4%（最大）。
3器件和加工技术
模块的组成元件、特点及其集成工艺概述如下。
3.1控制集成电路（IC）
图1是控制IC的方框图。输出单元由2只高频开关和同步整流达到最佳状态的MOSFET构成。附加低下降（LDO）稳压器与直流变换器输出端并联。输出电压由脉宽调制（PWM）控制，控制电路用CMOS设计而成。表1中列出了IC的电气性能指标。采用1~25MHz高频开关，可以减小无源元件的尺寸并对输出电压作出快速响应。开关器件和同步整流内置，可消除外部的分立半导体器件。这种设计可以减小整个直流变换器电路的尺寸和厚度。
3.2微型电感器
运用薄膜工艺，开发了一项在铁氧体片上构成电感器的技术。图2是这种新式微型电感器外观。它采用电镀工艺，在525μm厚铁氧体片上形成螺线管形绕组微型电感器，铁氧体片上设有通孔矩阵。线圈有11匝。在电感器四周同时生成数个圆周端电极。上边的电极用来连接控制IC，底部电极用作安装在PCB上的终端。在形成模块时，这种结构能够使尺寸缩小。因此，铁氧体基片应当具有高电阻率，高饱和磁化强度，低矫顽力和高磁导率。Ni-Zn铁氧体最适宜作这种元件。
图3示出这种结构的电感值-负载特性曲线。而用作磁心的铁氧体基片的技术性能规格列于表2中。其中，A型和B型两种磁心的磁导率高于C和D两种。其饱和磁化强度的关系是：A<B<C<D型。图3（a）中的电感值L-负载l特性曲线表明，D型电感器在宽的负载电流范围内都有大的电感量。从图3(b)中看出，在宽的负载电流范围内呈现出低的电阻。D型材料被选作新式电感器的磁心。在本文的附录中，介绍了这种电感器的设计参数与具体数据。
表3列出了D型微型电感器及以前用扁平螺旋形绕组线圈制作的电感器的性能指标，后者的上部磁层为铁氧体片，下部磁层用磁性薄膜。图4是螺旋形绕组线圈电感器的电感值-负载特性曲线，器件的剖面图示于图5。这种微型电感器直接做在IC基片上。与螺旋形绕组电感器比较，D型电感器的尺寸是它的92%，直流电阻为其40%，当I0=300mA时，电感量是前者的130%。采用螺线管形绕组结构，可以低电阻获得大的电感量。这对提高直流变换器的效率有贡献。
3.3片式模块的组装工艺流程
片式模块技术将IC芯片和电感器集成在与IC芯片同尺寸的范围内。在这种简单的结构中，用铁氧体基片作电感器的磁心，同时具有支撑基片的功能，IC可以直接装在基片上，这样就可以大大缩小模块的体积，减小厚度。图6是片式模块的制作和结构示意图。
首先，运用超声波倒装芯片粘贴法，由Au柱式凸缘接头把IC芯片粘贴到电感器基片上。接着，用填充料填满电感器和IC芯片间的每个空隙，以提高附着力。最后，以二等分通孔把整个模块切割成单个模块。
图7是dc-dc变换器片式模块的外形照片。以安装IC芯片尺寸2.9×2.9×0.27(mm)实现了模块尺寸：3.5×3.5×1.0(mm)。尺寸的缩小缘于采用直接粘贴法代替线连接法，还有个原因是铁氧体基片兼有两种功能：既是模块的基片，又是电感器的磁心。
如上所述，采用芯片尺寸模块法，是减小直流变换器模块尺寸很有效的方法。
4直流变换器的技术性能
图8是用片式模块尺度的直流变换器电路结构。图9则示出输入电压3.6V和输出电压为1.2V-1.5V和3.0V时输出电流与变换效率间的关系。从中看到，最高效率η=93.4%。输出电压间的效率之差，主要是由同步整流用MOSFET的电阻产生的。当输出电流低于100mA时，效率急速下降，这与开关器件（MOSFETS）的驱动和开关损耗有关。这些驱动损耗和开关损耗由频率确定，与输出电流基本上无关。若输出电流低，这两种损耗就占了总损耗的大部分，效率值就下降。
和以前用螺旋形绕组电感器的直流变换器比，新器件的变换效率将近提高了10%。图10显示以前直流变换器的输出功率和交率之关系。新器件主要在下面两方面得到了改善：
a.电感器结构由扁平螺旋形绕组改为螺线管形绕组，电感值L提高了约1.3倍，而直流电阻则下降为同尺寸器件的1/2.5左右。
b.开关频率从3.0MHz降至1.8MHz，使开关器件（MOSFETS）的驱动损耗和开关损耗减少了。
从上述结果可以看出，在相同尺寸和相同的设计条件下，采用螺线管形绕组的电感器结构，适合于高效运行的直流变换器。
附录
要使直流变换器能够高效工作，必须以连续传导模式（CCM）运行，即电流应连续地流向电感器。在降低型直流变换器以CCM和1~2MHz开关工作的情况下，在这种工作条件下，要求电感器的电感值L>1.5μH。另外，在任何条件下要高效运行，线圈的直流电阻Rac值都应当低些。要使效率达到90%以上，Rac应小于0.2Ω。在设计直流变换器用微型电感器的过程中，不仅要考虑到高频特性，还要考虑负载特性。首先，计算出电感器的初始特性曲线，接着须经过实验，找出固定的负载特性曲线。
图11是微型电感器的尺寸。线圈圆形长l，图形宽W和其间的间隔S、线圈的厚度t都由模块的大小和加工极限规定。图形宽度W还取决于线圈的匝数n。
图12是在l=1.7mm、S=40μm和t=40μm时，通过计算得到的电感器特性与匝数关系曲线。由于磁导率与其负载电流有关，估计它会从无电流到大负载电流下降60%。根据这些结果得知，这个元件用的匝数以11匝为宜。

参考文献
Z.Hayashi.et al，IEEE Trans Magn.，2003，39(5):3068～3072