葉 劍，李元勛，2，陳鑫華，蘇 樺，張懷武

基于LTCC工藝的DC－DC變換器設(shè)計與制作

葉 劍1，李元勛1，2，陳鑫華1，蘇 樺1，張懷武1

(1.電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054；2.東莞電子科技大學(xué) 電子信息工程研究院，廣東 東莞 523808)

基于LTCC技術(shù)的DC-DC變換器具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低等特點，該文在LTCC工藝基礎(chǔ)上，將DC-DC變換器電路中的電感內(nèi)埋在LTCC基板中，設(shè)計了一款輸入電壓范圍3～6 V，輸出電壓1.8 V，最大負載電流2 A的DC-DC變換器電路。實踐表明，LTCC技術(shù)能夠?qū)o源器件內(nèi)埋，可以降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的集成度，是一個最具潛力的混合集成方式。

開關(guān)電源；DC-DC變換器；NiZn鐵氧體；LTCC技術(shù)

電源是每個電子設(shè)備中不可缺少的部分，它為電子系統(tǒng)的各個部分提供正常工作所需要的電壓和電流。如在現(xiàn)代的智能手機中，不管是手機屏幕、照相機、揚聲器、聽筒、射頻收發(fā)模塊，還是手機內(nèi)部的CPU都需要電能來維持系統(tǒng)的正常工作。在移動式的便攜電子設(shè)備中，我們常常采用單電池為整個系統(tǒng)供電。但是電池提供的電能往往是不穩(wěn)定的，這通常表現(xiàn)為隨著電池電量的不同，電池的輸出電壓往往也會不同。手機的各個模塊需要穩(wěn)定的不同的電壓電流來維持整個系統(tǒng)的正常工作。DC-DC開關(guān)電源變換器電路的功能就是將一定范圍內(nèi)波動的不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓[1]。因此，DC-DC開關(guān)電源變換器電路在現(xiàn)在的便攜式設(shè)備中廣泛使用。

近年來，隨著IC技術(shù)的發(fā)展，許多電子設(shè)備都向著小型化和集成化發(fā)展。個人筆記本電腦、平板電腦、手機、照相機等各種電子設(shè)備與以往相比，無論在體積和重量上都有大幅度的減少，同時功能也越來越強大。作為電子設(shè)備中重要組成部分的電源系統(tǒng)，這種小型化的趨勢也同樣引起了工業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。采用GaN制成的開關(guān)電源芯片具有更高的開關(guān)頻率(通常為兆赫茲級別)，開關(guān)頻率的提高能夠減少芯片外圍電路的面積，從而減少整個變換器電路的體積[2]。一般在變換器電路中，磁性器件往往體積大高度高，阻礙了變換器向高功率密度和小體積發(fā)展。文獻[3]中介紹了采用薄膜工藝將電感集成在了芯片上，無須在外圍電路中使用磁性器件。文獻[4-5]中介紹了采用LTCC技術(shù)制成的平面電感，代替使用商業(yè)磁芯的繞線電感，減少了整個電路的高度。文獻[6]中介紹了將LTCC基板、平面電感或是變壓器、無源器件集成在一個具有多層結(jié)構(gòu)的LTCC鐵氧體材料的基板上，有源電路采用表貼的形式，如圖1所示。采用這種封裝形式，能夠最大程度的減少變換器電路的體積、提高整個系統(tǒng)的集成度。在本篇文章中，正是采用的這種將電感制作成電路基板、芯片等器件采用表貼的形式。

圖1 LTCC集成DC-DC變換器示意圖

1 DC-DC開關(guān)電源變換器電路設(shè)計

DC-DC開關(guān)電源變換器電路能夠?qū)⑤斎氲碾娔苓M行轉(zhuǎn)化，為負載提供穩(wěn)定的輸出電壓。本文設(shè)計一款輸入電壓范圍3～6 V、輸出電壓1.8 V，最大電流負載大于2 A的DC-DC變換器電路。采用LTCC技術(shù)，制造具有內(nèi)埋電感的基板，變換器的其他電路表貼在基板的表面。由于磁性器件電感不是本文討論的重點，所以不再做更多的討論。下面就變換器的電路芯片的選擇和外圍電路的設(shè)計做進一步討論。

1.1 芯片選擇

電源管理芯片是整個電路的心臟，就像人的大腦一樣控制著整個電路的工作。本次設(shè)計采用TI公司生產(chǎn)的一款電源管理芯片，它具有最高2 MHz的開關(guān)頻率，最大輸出電流3 A，3mm×3 mm 16-pin WQFN封裝形式。芯片和芯片外圍電路原理圖如圖2所示。VIN是輸入端，PH是輸出端，EN是使能端口，COMP是頻率補償端口，RT/CLK是開關(guān)頻率設(shè)置端口，VENSE是輸出電壓采樣端口。

圖2 變換器電路原理圖

1.2 關(guān)鍵電路設(shè)計

芯片確定后就是外圍電路設(shè)計了，外圍電路的設(shè)計同樣重要，如果外圍電路的參數(shù)或是結(jié)構(gòu)錯誤，整個電路的性能將會發(fā)生很大的偏差。壓降型變換器輸出電感的電感值與開關(guān)頻率的關(guān)系為[7]:

式中，Vo為輸出電壓值；D為變換器的占空比，與輸入輸出電壓的比值有關(guān)；r是電感中直流分量和交流分量的比值，為固定值；f為開關(guān)電源的開關(guān)頻率。從式(1)中，可以看出開關(guān)頻率越高則電路需要的電感值越小。故選擇2 MHz為電路的開關(guān)頻率，這樣能夠減少無源電路的面積，從而達到小型化的目的。

RT/CLK是設(shè)定開關(guān)頻率的端口，把 fsw＝2 MHz帶入式 (2)中， 我們得到 Rrt＝86.6 kΩ。VENSE端口的作用是將采樣的輸出端口的電壓送入芯片內(nèi)部，與芯片內(nèi)部的比較器電路進行比較，從而判定輸出電壓是大于還是小于設(shè)定的值。采樣電阻R5、R6的值由式 (3)決定，取R7為10 kΩ，則 R6為12.4 kΩ。

電感值L1的值由式 (4)得到，式中Kind取固定值0.25，計算出電感值為1.2μH。輸出電容值由式 (5)和式 (6)決定，計算出最小輸出電容值為10μF。

2 變換器基板設(shè)計與制作

DC-DC開關(guān)電源變換器電路的參數(shù)確定之后，就是LTCC基板的設(shè)計和制作了。LTCC基板不僅是電路的載體，基板內(nèi)部還要集成磁性器件。

2.1 LTCC技術(shù)簡介

低溫共燒陶瓷技術(shù) (LTCC)在多層化集成和內(nèi)埋無源器件方面存在巨大的優(yōu)勢，這種采用陶瓷為原材料的封裝技術(shù)以成本低廉著稱。LTCC技術(shù)可以用來設(shè)計和制造任意3D陶瓷結(jié)構(gòu)的電路器件和模塊等無源模塊，內(nèi)埋導(dǎo)線、過孔連線、電阻、電容、線圈以及腔體等都可以利用LTCC技術(shù)實現(xiàn)。LTCC技術(shù)所采用的膜片往往是具有一定電介質(zhì)性能或是磁性能的生瓷帶，厚度通常為50～200μm。通過在單張膜片上進行導(dǎo)體印刷、沖孔和過孔填充。然后將不同的具有電路圖形的膜片按照一定順序疊層、等靜壓和激光切割，最后通過在低于1 000℃燒結(jié)。經(jīng)過上述的一系列工序以后，就能制造出具有復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)、高密度的電路和功能模塊或是單個器件。

2.2 變換器基板材料的選擇

DC-DC變換器的性能，很大程度上取決于電感的好壞。電感的飽和電流值、抗直流偏置的能力、直流電阻等都影響著電路的性能，電感的好壞很大程度上又取決于磁芯的材料。磁性材料的磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強度、溫度特性、頻率特性很大程度上都會決定電感的關(guān)鍵參數(shù)。開關(guān)電源中的電感主要使用的是軟磁鐵氧體材料。NiZn鐵氧體被廣泛應(yīng)用于電感的制造和生產(chǎn)，它在兆赫茲級的工作頻率下有較高的磁導(dǎo)率，材料本身具有高的直流電阻值、化學(xué)穩(wěn)定性也比較好，很難與其他的物質(zhì)再發(fā)生反應(yīng)[8]。用于低溫共燒技術(shù)的 NiCuZn鐵氧體，燒結(jié)溫度在900°左右，被廣泛用于制造疊層片式電感 (MLCI)[9-10]。

2.3 變換器基板制作

材料選擇好之后，就是整個變換器基板的制作了，本文中的LTCC基板采用濕法流延工藝。將制備好的流延漿料放入濕法流延工序中的成型漿料桶中，調(diào)整流延泵刀口角度，控制速度使?jié){料在通過的氧化鋁承載板上形成具有一定厚度的濕法膜片。濕法膜片經(jīng)過兩三分鐘的烘烤后，將帶有膜片的承載臺放置在印刷機上印刷器件內(nèi)電極結(jié)構(gòu)，最終形成疊層器件初形。再將上述獲得的膜片經(jīng)過流延機，使?jié){料覆蓋原來的圖形，在經(jīng)過烘烤、印制電路等，這樣第二層的電路就制作好了。如此往復(fù)，直到印制完所有的電路層。經(jīng)過流延后，得到的是一個三維的具有多層電路結(jié)構(gòu)的生巴塊。再經(jīng)過等靜壓，在900°左右燒結(jié)后，就得到了我們想要的變換器電路基板。變換器電路的基板如圖3所示，整個基板的尺寸為2 cm×1.5 cm×0.1 cm，基板底層是磁性材料，磁性層內(nèi)部是由銀漿作為導(dǎo)體的多層片式層疊電感，電感通過層間過孔與頂層的電路相連。頂層是陶瓷材料，表面印制變換器電路。在陶瓷層和磁性層之間還加入了金屬屏蔽層。

圖3 LTCC變換器基板

磁性基板作為電路的載體時，由于寄生電感的存在，很容易導(dǎo)致電路在低頻時產(chǎn)生自激震蕩，同時磁性器件工作時也會對周圍的電路產(chǎn)生影響。由于磁性材料，會增加基板表面上導(dǎo)線之間的耦合效應(yīng)，電路的寄生電感值也會增大，這在一定程度上會降低電路的性能。減少寄生電感的方法是在磁性材料上加一個磁性屏蔽層，同時將表面線路制作在非磁性的介質(zhì)材料上。采用磁性材料和電介質(zhì)材料的共燒技術(shù)[11-12]，能夠?qū)⒔饘俚钠帘螌又苯又谱靼鲜鰞煞N材料的基板中，能夠?qū)㈦姼须娙葜苯蛹?，大大提高了系統(tǒng)的集成度。

3 測試結(jié)果與分析

最后，我們對DCDC開關(guān)變換器電路進行了測試。我們測試了在3.5 V、4 V、4.5 V共3種不同輸入電壓下，輸出端在不同的負載電流下的輸出電壓，測試結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4中我們可以看到，輸出電壓在不同輸入電壓和不同輸出負載電流的情況下，基本維持在1.8 V左右，但是隨著輸出電流的增大，輸出電壓值略有下降，造成輸出電壓隨著電流增大的原因，可能是電壓采樣反饋回路在大電流下產(chǎn)生一定的偏差。最后我們在輸入電壓4 V，輸出電流0.8 A的情況下，測試了電感上的電壓波形。電感測試波形如圖5所示。從圖5中我們可以看到，電感上的波形呈周期性變化，表示開關(guān)電源此時正常工作。電感在開關(guān)電源芯片上控制開關(guān)管閉合，輸入向輸出轉(zhuǎn)化能量時電感上電壓為正，當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感上的電壓為零。

圖4 測試結(jié)果

圖5 電感測試曲線

4 結(jié)束語

本文在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上，將開關(guān)電源變換器電路與LTCC技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了開關(guān)電源的小型化。將陶瓷材料和磁性材料共燒到一塊LTCC基板上，改善了原來直接在磁性基板上制造電路的寄生效應(yīng)較大的缺陷。最后，開關(guān)電源變換器電路的測試結(jié)果也符合最初的設(shè)計要求。LTCC技術(shù)能夠?qū)o源器件內(nèi)埋，可以降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的集成度，是一個最具潛力的混合集成方式。隨著工藝的發(fā)展、研究的深入，LTCC技術(shù)將來會得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]劉鳳君.開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014.

[2]LIM M H F，VAN WYK JD，LEE F C.Hybrid integration of a low-voltage，high-current power supply buck converter with an LTCC substrate inductor[J].IEEE Trans Power Electron， 2010， 25(9):2287-2297.

[3]WANG M L， BATARSEH I， NGO K D T， et al.Design and Fabrication of Integrated Power Inductor Based on Silicon Molding Technology[C]//PESC Record-IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，2007.

[4]ZHANG W L，SU Y P，MU M K，et al.High-Density integration of high-frequency high-current point-of-load(POL)modules with planar inductors[J].IEEE Trans Power Electron， 2015， 30(3):1421-1431.

[5]SU Y P，LI Q，LEE F C.Design and evaluation of a highfrequency LTCC inductor substrate for a three-dimensional integrated DC/DC converter[J].IEEE Trans Power Electron， 2013， 28(9):4354-4364.

[6]WANG L L，HU Z Y，LIU Y F，et al.A horizontal-winding multipermeability LTCC inductor for a low-profile hybrid DC/DC converter[J].IEEE Trans Power Electron，2013，28(9):4365-4375.

[7]MANIKTALA S.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王鍵強，譯.北京:人民郵電出版社，2015.

[8]ZHANG Wenli， MU Mingkai， HOU Dongbin， et al.Characterization of low temperature sintered ferrite laminates for high frequency point-of-load(POL)converters[J].IEEE Trans Magn， 2013， 49(11):5453-5463.

[9]任利，張懷武，蘇樺.應(yīng)用于高頻變壓器的NiZn鐵氧體材料性能分析[J].磁性材料及器件，2005，36(4):38-40.

[10]牛青山，賈虎生，許并社.低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體材料的研究現(xiàn)狀及進展[J].中北大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2008(5):453-460.

[11]王旭，李元勛，李頡.含有非磁性氣隙層層疊電感直流特性的研究[J].壓電與聲光，2014，36(6):1010-1012

[12]LI Y X， LIU Y L，ZHANG H W，et al.The sintering properties and interfacial investigation of barium ferrite and ceramic cofiring system for the application of LTCC technology[J].Journal of Applied Physics， 2009，105(7):07A745.

The Design and Fabrication of DC-DC Converter Based on LTCC Technology

YE Jian1， LI Yuanxun1，2， CHEN Xinhua1， SU Hua1， ZHANG Huaiwu1
(1.School of Microelectronics and Solid-State Electronics， University of Electronic Science and technology of China， Chengdu 610054， China；2.Institute of Electronic and Information Engineering， University of Electronic Science and technology of Dongguan， Dongguan 523808， China)

The DC-DCconverter based on LTCCtechnology has the characteristics such as small size， light weight， high reliability， and low cost.In this paper， the input voltage range of 3-6 V， the output voltage of 1.8 V and the maximum load current 2 A is designed.Practice shows that LTCCtechnology can be buried in passive devices，can reduce production costs and improve system integration，which is one of the most potential hybrid integration.

switching power supply； DC-DC Converter； NiZn ferrite； LTCCtechnology

TM28；TN61

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.010

2016-02-24；修改日期:2016-03-02

“廣東特支計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目支持(2014TX01C042)。

葉劍(1990-)，男，碩士，電子信息材料與元器件專業(yè)。