一體成型電感的負載點電源結構設計

中國兵器工業第214研究所 陳劍鈞 吳力濤 鄧 闖

駐蚌埠地區軍代室 王 軍

中國兵器工業第214研究所 楊瓊楠

負載點電源以其穩壓、快速供電的能力在市場上應用廣泛。隨著產品小型化要求越來越普遍，為保證產品的功率，就需要對負載點電源進一步的高密度集成從而實現小型化。文章設計了一種一體化陶瓷封裝結構，通過采用一體成型電感封裝集成技術，滿足負載點電源高密度、高可靠、小體積等要求。

負載點電源又叫POL電源，常用于在分布式、多功能性的PCB板設計中，可以是一個電源集成電路也可以是一個電源模塊。負載點電源既可以滿足快速的供電要求，也能夠避免低壓大電流傳送產生的線損而造成電壓偏差。近年來，隨著半導體技術和封裝技術的進一步發展，出現了微模塊負載點電源，本文主要設計一種小型化、高密度集成的微模塊負載點電源結構，具有表面貼裝及一體化集成等特點。

1 電感選型

電感根據制造工藝和結構不同主要有疊層電感、繞線電感和一體成型電感三種。最早期的電感主要是繞線功率電感，見圖1所示。繞線功率電感采用繞制工藝在磁芯上繞制漆包線，可以根據不同類型的磁芯繞制出不同的電感。其特點是電感范圍廣，可以從nH級達到mH甚至H級，電感精度高，損耗小（即Q值大），飽和電流大，制作工藝繼承性強，成本低。缺點是在進一步小型化方面受到限制。

圖1 繞線功率電感圖

疊層電感實現了電感的小型化，見圖2所示。疊層電感使用鐵氧體漿料和超導體漿料交替印制、疊層、燒結，構成閉合磁路，采用厚膜多層鈍化技術和疊層制造工藝，具有良好的磁屏蔽性，燒結密度高，機械強度好，與傳統繞線型功率電感相比具有尺寸小、抗干擾能力強的特點。尺寸小，有利于小型化集成；磁路閉合，不會干擾周圍的元器件，也不會收到周圍元器件的干擾。不足之處是制造成本高、電感值小、飽和電流也小，不適合用于功率場合。

圖2 疊層電感圖

一體成型電感是近年新型的技術，見圖3所示。一體成型包括座體和繞組本體兩部分，是一種繞線電感的升級和改進，其繞組本體也是線圈繞制形成的，但是不是繞制在磁芯上，是座體將繞組本體埋入金屬磁性粉末內部壓鑄而成，貼裝的引腳為繞組本體的引出腳直接形成于座體表面，其擁有更高的電感量、飽和電流和更小的漏感。與繞線功率電感比較，一體成型電感采用貼片封裝更加小型化，具有更好的散熱效果，ESR值更小，采用全封閉結構磁屏蔽效果更好，可有效降低電磁干擾，應用頻率可達5MHz。

圖3 一體成型電感圖

各種類型電感都有不同的優缺點，對比表具體見表1所示。從表1的對比中可以看出，一體成型電感比較適合對于小體積的要求，并且方便根據需要進行開模設計。

表1 不同類型電感對比表

負載點電源的小型化集成是一個重要難點，尤其是功率電感的集成。通常功率電感都有額定電流，在額定電流下保證電感量不降低就需要保證電感中的磁性元件不能磁飽和，通常需要較大的磁芯來實現。而大功率的電感通常擁有大尺寸，如果需要將電源控制芯片、電容、電阻以及功率電感集成到有限尺寸的芯片級空間內，需要將電感進行一體化封裝集成，而一體成型電感最適合做一體化集成。

2 殼體設計

殼體設計采用一體化管殼對產品進行封裝集成。一體化管殼是將微電路的基板作為封裝的載體，在基板上直接引出封裝的I/O端子并裝連封裝體的其他部分，使基板與外殼成為一個封裝整體。產品采用尺寸大小為9.85mmh10.16mmh4.57mm的TO-PMOD-7封裝，管殼選用陶瓷管殼。陶瓷封裝不僅能夠實現高密度封裝，而且具有氣密性好的優點。除此之外，陶瓷封裝還可實現多信號、地和電源層結構，并具有對復雜的器件進行一體化封裝的能力，且散熱性也很好。因此，殼體選用一體化陶瓷管殼，并且將引出端、背面EP焊盤以及內部導帶集成到陶瓷管殼上，同時能夠滿足表面貼裝的要求。

產品一體化殼體設計如圖4所示。

圖4 一體化殼體示意圖

3 組裝

產品的整體組裝包括電源控制芯片、阻容、功率電感、蓋板以及殼體的組裝。由第二部分電感選型分析得出，管殼內部功率電感使用一體成型電感最適合。根據第三部分管殼內部腔體的結構定制契合整個產品外形的一體成型電感，從而達到一體化封裝集成的效果，定制支架電感如圖5所示。

圖5 定制支架電感圖

對于功率電感和阻容使用高溫錫焊的工藝；電源控制芯片使用高溫導電膠粘接工藝，使用金絲鍵合工藝實現電源控制芯片的電氣連接。

蓋板采用金屬蓋板，采用全氣密性充氮，與殼體進行平行封焊，既保證了產品的氣密性，也提高產品的可靠性。

產品最終組裝示意圖如圖6所示。

圖6 組裝示意圖

本文設計的微模塊負載點電源結構主要優點在于，使用一體成型電感，定制支架和外形尺寸完全契合產品的外形，并通過立體組裝集成技術，將電源控制芯片和電阻、電容集成到基板上，一體化電感使用立體支架將電感本體支撐起來，從而將一體化電感架在電源控制芯片和電阻、電容上面，最大化利于產品的空間，實現高密度集成和表面貼裝。