基于SiP技术的限流保护器设计

李鑫彪，张 可

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

SiP（System in a Package）技术是将多个具有不同功能的电子元件集成在一个封装内作为实现一定功能的单个标准封装件，从而形成一个系统或者子系统。随着电子整机产品体积不断缩小以及封装技术的发展，SiP技术已经广泛应用在各个领域。限流保护器模块是在系统中检测和限制短路电流，实现保护电路的装置。使用时位于电源与系统负载之间，当负载电流大于设定的阈值时，限流保护器模块迅速关断电源与系统负载之间的连接通路，避免大电流造成系统负载的损坏，从而实现对负载的限流保护功能。此模块主要应用于保护ASICs，FPGAs等对单粒子锁定效应敏感的电子器件[1-2]。

2 功能概述

本设计模块由微电路芯片及分立元器件组成。为实现限流保护的功能，模块内部包含有稳压器、比较器、基准产生电路、状态处理电路及电荷泵等电路。该限流保护器模块具有低电流阈值（待机电流）和高电流阈值（运行电流）两种限流阈值，且两种电流阈值可通过外接电阻设置。模块逻辑功能框图如图1所示。

其中，VAUX为辅助电源，用于为模块内部的各芯片提供工作电压。VIN为限流保护的外接输入电源，VOUT为模块输出。当VIN电源的输入电流小于限流阈值时，VOUT≈VIN；当VIN电源的输入电流大于限流阈值时，内部功率开关管断开，VOUT≈0。RUN/STB为限流阈值选择端，当RUN/STB为高电平时，模块选择高电流阈值（运行电流）；当RUN/STB为低电平时，模块选择低电流阈值（待机电流）。ON/OFF为模块的控制端，当ON/OFF为高电平时，模块正常工作，具有限流保护的功能；当ON/OFF为低电平时，模块不工作，VOUT≈0。PROT_STATUS为模块过流标志端，当VIN电源的输入电流大于限流阈值时，PROT_STATUS为高电平；否则为低电平。LIM_RUN为高电流阈值设定端，LIM_STB为低电流阈值设定端，具体连接方法见图1所示。ADJ_RESTART为自动重连功能端，若该端接地，当出现过流时，VIN与VOUT断开不进行重新连接；若ADJ_RESTART端通过电容接地，当出现过流时，VIN与VOUT断开后进行重新连接，若重连后仍然过流，则再次断开继续重连，直至过流消失，VIN与VOUT连接。

图1 模块逻辑功能框图

3 原理、板图设计及SiP技术流程

3.1 模块电路的基本原理设计

本设计的限流保护器是通过对电源端的电流信号进行采样，并将电流信号转换成电压信号，转换后的电压信号大小与设定的参考电压值进行比较。当转换后的电压信号值大于参考电压时，这种情况下，限流保护器流过的电流达到限定的电流值，此时，通过后续动作，切断限流保护器中的开关管，电源与负载开路，从而起到保护作用。当转换后的电压信号值小于参考电压时，这种情况下，限流保护器流过的电流未达到限定的电流值，限流保护器不会有任何动作，电源持续给负载提供电流。

通过外配电阻可改变参考电压的值，从而可用于设定不同的限流大小。基本原理如图2所示。

3.2 模块电路的板图设计

该模块采用分层堆叠式立体封装结构，各层的基板采用FR4材质PCB，元器件直接焊接在PCB上。各叠层间互连信号通过模块侧面的金属镀层实现电气连接[3]。

图2 限流保护器的基本原理

该模块电路中包含62只元器件，要封装在15×15×12mm3大小的模块中，空间有限。模块采用3层PCB构成，每层PCB尺寸设计要小于模块封装尺寸（15mm×15mm），为了提高集成度，节省空间，因而PCB布线采用4层走线。从下至上，第一层为引脚及开关层；第二层为电流检测与模块使能层、第三层为状态处理及信号控制层。

1)模块叠层板第一层（底板层）

大功率器件（MOSFET）放置在模块的最底层，在模块灌封时使它紧靠在模块的底部，便于散热。同时，模块底板层用来实现模块与外部引脚的连接。在PCB(0.6mm厚)板上控制好电源与地线的走线宽度。

2)模块叠层板第二层

模块叠层板第二层由0.6mm的PCB、比较器、电阻网络、电压基准、稳压电源及使能控制等构成。

3)模块叠层板第三层

模块叠层板第三层由0.6mm的PCB、逻辑控制、电荷泵、状态处理等单元构成。

设计过程中，为了减小电压压降，降低耦合噪声，尽量加粗电源线和地线；为了减少高频噪声的发射，进行合理布局，避免90度折线；同时利用电路板的内电层，有效屏蔽辐射干扰和抑制电路本身的电磁辐射。布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。避免90度折线，减少高频噪声发射。利用电路板的内电层，屏蔽辐射干扰和抑制电路本身的电磁辐射等[4]。

3.3 模块电路的SiP技术流程

三层之间的信号通过侧面的金属镀层和激光蚀刻槽来实现互连。SiP工艺步骤主要包括：堆叠、灌封、切割、表面金属化(镀层厚度为 10～20μm)、激光雕刻、引脚成型等[5-6]。具体工艺流程如图3所示。

图3 模块封装工艺流程图

其中，堆叠是通过物理方法控制模块三层叠片板之间的距离，确保三层叠片板之间的电气安全以及模块的整体高度。封是将堆叠好的叠片板放在灌封模具中，将灌封材料注入模具中形成模块的基本形状。该工艺需要对灌封材料进行评估试验，包括灌封材料的粘度、热膨胀系数等性能指标。要确保灌封后的模块在相应的环境试验中不会出现分层和裂纹等现象。切割是对灌封后的模块进行整体切割，确保模块的整体尺寸，及外表面的整齐与光滑性。表面金属化是通过在表明喷涂金属漆，使各层以及引脚之间进行电气连接。激光雕刻是通过激光，将模块表面的金属化漆进行切割，确保正确的电气连接。

4 结束语

本设计限流保护器模块是基于SiP技术进行设计，能够完成保护ASICs或FPGAs等对单粒子锁定效应敏感的电子器件的任务。设计过程中对电路的功能、性能、参数指标等要求，均采用余量设计，保证模块能够满足设计需要。通过抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高敏感器件的抗干扰性能等设计手段确保电路的可靠性。再通过搭建电路验证板进行测试来验证电路的各项参数性能，确保模块能够实现预期功能，满足设计要求。本设计限流保护器模块经过设计验证后，进行了生产加工并形成了产品，在实际应用中，能够实现既定功能，对系统进行保护。本设计的完成及成功应用，对SiP技术在微系统集成应用上具有实践意义[7-8]。