基于LTCC工艺的DC－DC变换器设计与制作

叶 剑，李元勋，2，陈鑫华，苏 桦，张怀武

基于LTCC工艺的DC－DC变换器设计与制作

叶 剑1，李元勋1，2，陈鑫华1，苏 桦1，张怀武1

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.东莞电子科技大学 电子信息工程研究院，广东 东莞 523808)

基于LTCC技术的DC-DC变换器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低等特点，该文在LTCC工艺基础上，将DC-DC变换器电路中的电感内埋在LTCC基板中，设计了一款输入电压范围3～6 V，输出电压1.8 V，最大负载电流2 A的DC-DC变换器电路。实践表明，LTCC技术能够将无源器件内埋，可以降低生产成本，提高系统的集成度，是一个最具潜力的混合集成方式。

开关电源；DC-DC变换器；NiZn铁氧体；LTCC技术

电源是每个电子设备中不可缺少的部分，它为电子系统的各个部分提供正常工作所需要的电压和电流。如在现代的智能手机中，不管是手机屏幕、照相机、扬声器、听筒、射频收发模块，还是手机内部的CPU都需要电能来维持系统的正常工作。在移动式的便携电子设备中，我们常常采用单电池为整个系统供电。但是电池提供的电能往往是不稳定的，这通常表现为随着电池电量的不同，电池的输出电压往往也会不同。手机的各个模块需要稳定的不同的电压电流来维持整个系统的正常工作。DC-DC开关电源变换器电路的功能就是将一定范围内波动的不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压[1]。因此，DC-DC开关电源变换器电路在现在的便携式设备中广泛使用。

近年来，随着IC技术的发展，许多电子设备都向着小型化和集成化发展。个人笔记本电脑、平板电脑、手机、照相机等各种电子设备与以往相比，无论在体积和重量上都有大幅度的减少，同时功能也越来越强大。作为电子设备中重要组成部分的电源系统，这种小型化的趋势也同样引起了工业和学术界的广泛关注。采用GaN制成的开关电源芯片具有更高的开关频率(通常为兆赫兹级别)，开关频率的提高能够减少芯片外围电路的面积，从而减少整个变换器电路的体积[2]。一般在变换器电路中，磁性器件往往体积大高度高，阻碍了变换器向高功率密度和小体积发展。文献[3]中介绍了采用薄膜工艺将电感集成在了芯片上，无须在外围电路中使用磁性器件。文献[4-5]中介绍了采用LTCC技术制成的平面电感，代替使用商业磁芯的绕线电感，减少了整个电路的高度。文献[6]中介绍了将LTCC基板、平面电感或是变压器、无源器件集成在一个具有多层结构的LTCC铁氧体材料的基板上，有源电路采用表贴的形式，如图1所示。采用这种封装形式，能够最大程度的减少变换器电路的体积、提高整个系统的集成度。在本篇文章中，正是采用的这种将电感制作成电路基板、芯片等器件采用表贴的形式。

图1 LTCC集成DC-DC变换器示意图

1 DC-DC开关电源变换器电路设计

DC-DC开关电源变换器电路能够将输入的电能进行转化，为负载提供稳定的输出电压。本文设计一款输入电压范围3～6 V、输出电压1.8 V，最大电流负载大于2 A的DC-DC变换器电路。采用LTCC技术，制造具有内埋电感的基板，变换器的其他电路表贴在基板的表面。由于磁性器件电感不是本文讨论的重点，所以不再做更多的讨论。下面就变换器的电路芯片的选择和外围电路的设计做进一步讨论。

1.1 芯片选择

电源管理芯片是整个电路的心脏，就像人的大脑一样控制着整个电路的工作。本次设计采用TI公司生产的一款电源管理芯片，它具有最高2 MHz的开关频率，最大输出电流3 A，3mm×3 mm 16-pin WQFN封装形式。芯片和芯片外围电路原理图如图2所示。VIN是输入端，PH是输出端，EN是使能端口，COMP是频率补偿端口，RT/CLK是开关频率设置端口，VENSE是输出电压采样端口。

图2 变换器电路原理图

1.2 关键电路设计

芯片确定后就是外围电路设计了，外围电路的设计同样重要，如果外围电路的参数或是结构错误，整个电路的性能将会发生很大的偏差。压降型变换器输出电感的电感值与开关频率的关系为[7]:

式中，Vo为输出电压值；D为变换器的占空比，与输入输出电压的比值有关；r是电感中直流分量和交流分量的比值，为固定值；f为开关电源的开关频率。从式(1)中，可以看出开关频率越高则电路需要的电感值越小。故选择2 MHz为电路的开关频率，这样能够减少无源电路的面积，从而达到小型化的目的。

RT/CLK是设定开关频率的端口，把 fsw＝2 MHz带入式 (2)中， 我们得到 Rrt＝86.6 kΩ。VENSE端口的作用是将采样的输出端口的电压送入芯片内部，与芯片内部的比较器电路进行比较，从而判定输出电压是大于还是小于设定的值。采样电阻R5、R6的值由式 (3)决定，取R7为10 kΩ，则 R6为12.4 kΩ。

电感值L1的值由式 (4)得到，式中Kind取固定值0.25，计算出电感值为1.2μH。输出电容值由式 (5)和式 (6)决定，计算出最小输出电容值为10μF。

2 变换器基板设计与制作

DC-DC开关电源变换器电路的参数确定之后，就是LTCC基板的设计和制作了。LTCC基板不仅是电路的载体，基板内部还要集成磁性器件。

2.1 LTCC技术简介

低温共烧陶瓷技术 (LTCC)在多层化集成和内埋无源器件方面存在巨大的优势，这种采用陶瓷为原材料的封装技术以成本低廉著称。LTCC技术可以用来设计和制造任意3D陶瓷结构的电路器件和模块等无源模块，内埋导线、过孔连线、电阻、电容、线圈以及腔体等都可以利用LTCC技术实现。LTCC技术所采用的膜片往往是具有一定电介质性能或是磁性能的生瓷带，厚度通常为50～200μm。通过在单张膜片上进行导体印刷、冲孔和过孔填充。然后将不同的具有电路图形的膜片按照一定顺序叠层、等静压和激光切割，最后通过在低于1 000℃烧结。经过上述的一系列工序以后，就能制造出具有复杂电磁结构、高密度的电路和功能模块或是单个器件。

2.2 变换器基板材料的选择

DC-DC变换器的性能，很大程度上取决于电感的好坏。电感的饱和电流值、抗直流偏置的能力、直流电阻等都影响着电路的性能，电感的好坏很大程度上又取决于磁芯的材料。磁性材料的磁导率、饱和磁感应强度、温度特性、频率特性很大程度上都会决定电感的关键参数。开关电源中的电感主要使用的是软磁铁氧体材料。NiZn铁氧体被广泛应用于电感的制造和生产，它在兆赫兹级的工作频率下有较高的磁导率，材料本身具有高的直流电阻值、化学稳定性也比较好，很难与其他的物质再发生反应[8]。用于低温共烧技术的 NiCuZn铁氧体，烧结温度在900°左右，被广泛用于制造叠层片式电感 (MLCI)[9-10]。

2.3 变换器基板制作

材料选择好之后，就是整个变换器基板的制作了，本文中的LTCC基板采用湿法流延工艺。将制备好的流延浆料放入湿法流延工序中的成型浆料桶中，调整流延泵刀口角度，控制速度使浆料在通过的氧化铝承载板上形成具有一定厚度的湿法膜片。湿法膜片经过两三分钟的烘烤后，将带有膜片的承载台放置在印刷机上印刷器件内电极结构，最终形成叠层器件初形。再将上述获得的膜片经过流延机，使浆料覆盖原来的图形，在经过烘烤、印制电路等，这样第二层的电路就制作好了。如此往复，直到印制完所有的电路层。经过流延后，得到的是一个三维的具有多层电路结构的生巴块。再经过等静压，在900°左右烧结后，就得到了我们想要的变换器电路基板。变换器电路的基板如图3所示，整个基板的尺寸为2 cm×1.5 cm×0.1 cm，基板底层是磁性材料，磁性层内部是由银浆作为导体的多层片式层叠电感，电感通过层间过孔与顶层的电路相连。顶层是陶瓷材料，表面印制变换器电路。在陶瓷层和磁性层之间还加入了金属屏蔽层。

图3 LTCC变换器基板

磁性基板作为电路的载体时，由于寄生电感的存在，很容易导致电路在低频时产生自激震荡，同时磁性器件工作时也会对周围的电路产生影响。由于磁性材料，会增加基板表面上导线之间的耦合效应，电路的寄生电感值也会增大，这在一定程度上会降低电路的性能。减少寄生电感的方法是在磁性材料上加一个磁性屏蔽层，同时将表面线路制作在非磁性的介质材料上。采用磁性材料和电介质材料的共烧技术[11-12]，能够将金属的屏蔽层直接制作包含上述两种材料的基板中，能够将电感电容直接集成，大大提高了系统的集成度。

3 测试结果与分析

最后，我们对DCDC开关变换器电路进行了测试。我们测试了在3.5 V、4 V、4.5 V共3种不同输入电压下，输出端在不同的负载电流下的输出电压，测试结构如图4所示。从图4中我们可以看到，输出电压在不同输入电压和不同输出负载电流的情况下，基本维持在1.8 V左右，但是随着输出电流的增大，输出电压值略有下降，造成输出电压随着电流增大的原因，可能是电压采样反馈回路在大电流下产生一定的偏差。最后我们在输入电压4 V，输出电流0.8 A的情况下，测试了电感上的电压波形。电感测试波形如图5所示。从图5中我们可以看到，电感上的波形呈周期性变化，表示开关电源此时正常工作。电感在开关电源芯片上控制开关管闭合，输入向输出转化能量时电感上电压为正，当开关管断开时，电感上的电压为零。

图4 测试结果

图5 电感测试曲线

4 结束语

本文在结合前人研究的基础上，将开关电源变换器电路与LTCC技术结合在一起，实现了开关电源的小型化。将陶瓷材料和磁性材料共烧到一块LTCC基板上，改善了原来直接在磁性基板上制造电路的寄生效应较大的缺陷。最后，开关电源变换器电路的测试结果也符合最初的设计要求。LTCC技术能够将无源器件内埋，可以降低生产成本，提高系统的集成度，是一个最具潜力的混合集成方式。随着工艺的发展、研究的深入，LTCC技术将来会得到更加广泛的应用。

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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

“广东特支计划”科技创新领军人才项目支持(2014TX01C042)。

叶剑(1990-)，男，硕士，电子信息材料与元器件专业。