一種直流-直流變換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于無鐵芯硅基電感的直流?直流變換器。本實用新型公開了一種直流?直流變換器，包括無鐵芯硅基電感、控制器和至少一個電容，所述無鐵芯硅基電感包括硅襯底和導(dǎo)電線圈，所述導(dǎo)電線圈嵌入在硅襯底中，所述導(dǎo)電線圈具有多個匝，其相鄰匝之間有間隔，所述間隔由硅襯底填充，所述導(dǎo)電線圈與硅襯底之間設(shè)有絕緣層，所述硅襯底的至少一個面上沉積有絕緣覆蓋層，所述控制器和電容安裝在絕緣覆蓋層上，并與導(dǎo)電線圈電氣連接。本實用新型采用無鐵芯硅基電感，并將控制器和電容集成在硅基電感上，結(jié)構(gòu)體積小，成本低，效率不受影響，可廣泛應(yīng)用于便攜式移動電子設(shè)備，且不受應(yīng)用場合的限制，可應(yīng)用于強輻射環(huán)境或者電磁干擾嚴(yán)重的場合。
【專利說明】
一種直流-直流變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于電力電子器件領(lǐng)域，具體地涉及一種基于無鐵芯硅基電感的直流-直流變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]直流-直流變換器(也稱DC/DC變換器)是一種將直流基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妷悍N類的直流變換裝置?，F(xiàn)有的DC/DC變換器基本都是采用片外分立功率電感，IC芯片和功率電感是分開的，體積重量相對較大，不適合應(yīng)用于體積受限的移動電子設(shè)備。而且客戶在使用時需要通過計算來選擇功率電感，還涉及與功率電感供應(yīng)商的確認(rèn)、產(chǎn)品認(rèn)證以及倉儲相關(guān)的成本和物流問題，使用非常不便。
[0003]公開專利:CN102870175 B公開了一種把含鐵芯的硅基功率電感與IC芯片集成的DC/DC變換器，可顯著減小體積。但是在一些苛刻的應(yīng)用場合，例如強輻射環(huán)境或者電磁干擾嚴(yán)重的場合，鐵芯的磁性材料會因為外部極高的磁通密度導(dǎo)致磁飽和而失去效用。這種應(yīng)用場合禁止選用任何磁性材料。另外這種鐵芯硅基電感結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中需要在有限的面積內(nèi)注入磁性材料，加工工序繁雜，難度高，原材料多，管理麻煩，不利于成本降低，產(chǎn)品一致性較差，而且影響成品率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于為解決上述問題而提供一種采用無鐵芯硅基電感，結(jié)構(gòu)體積小，成本低，效率不受影響，且不受應(yīng)用場合限制，可應(yīng)用于強輻射環(huán)境或者電磁干擾嚴(yán)重的場合的直流-直流變換器。
[0005]為此，本實用新型公開了一種直流-直流變換器，包括無鐵芯硅基電感、控制器和至少一個電容，所述無鐵芯硅基電感包括硅襯底和導(dǎo)電線圈，所述導(dǎo)電線圈嵌入在硅襯底中，所述導(dǎo)電線圈具有多個匝，其相鄰匝之間有間隔，所述間隔由硅襯底填充，所述導(dǎo)電線圈與硅襯底之間設(shè)有絕緣層，所述硅襯底的至少一個面上沉積有絕緣覆蓋層，所述控制器和電容安裝在絕緣覆蓋層上，并與導(dǎo)電線圈電氣連接。
[0006]進一步的，所述導(dǎo)電線圈為矩形螺旋狀、多邊形螺旋狀、圓形螺旋狀或螺旋管狀。
[0007]進一步的，所述絕緣層為二氧化硅。
[0008]進一步的，所述無鐵芯娃基電感還包括金屬環(huán)，所述金屬環(huán)嵌入在娃襯底中，所述導(dǎo)電線圈位于金屬環(huán)內(nèi)。
[0009]進一步的，所述控制器和電容通過穿透所述絕緣覆蓋層的多個線圈連接點電氣連接到所述導(dǎo)電線圈，每個線圈連接點與導(dǎo)電線圈的一部分接觸。
[0010]進一步的，所述導(dǎo)電線圈為多個，相鄰放置嵌入在硅襯底中。
[0011 ]進一步的，所述控制器包括兩個開關(guān)管。
[0012]更進一步的，所述開關(guān)管為MOS管。
[0013]更進一步的，所述開關(guān)管為N型MOS管，所述電容的數(shù)量為兩個。
[0014]本實用新型的有益技術(shù)效果:
[0015]與現(xiàn)有的采用片外分立功率電感的DC/DC變換器相比，本實用新型在無鐵芯硅基電感上集成了控制器和電容，有利于減小移動電子設(shè)備的體積重量，優(yōu)化變換器性能，降低損耗和延長系統(tǒng)運行時間，客戶使用方便，消除了與片外分立功率電感供應(yīng)商的確認(rèn)，產(chǎn)品認(rèn)證以及倉儲相關(guān)的成本和物流問題。
[0016]與現(xiàn)有的含鐵芯硅基電感相比，本實用新型的硅基電感不含鐵芯，不存在磁飽和的問題，應(yīng)用場合不受限制，可應(yīng)用于強輻射環(huán)境或者電磁干擾嚴(yán)重的場合，不僅擁有鐵芯硅基電感的體積重量小的特點，而且不需要磁性材料的注入，其加工工序的減少可以降低加工成本，縮短加工流程，提高產(chǎn)品一致性及成品率，且由于不需要磁性材料，原料種類減少，方便管理，從而降低產(chǎn)品成本。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型實施例的無鐵芯硅基電感的結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0018]圖2為本實用新型實施例的無鐵芯硅基電感的結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0019]圖3為本實用新型實施例的導(dǎo)電線圈的結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0020]圖4為本實用新型實施例的導(dǎo)電線圈的結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0021]圖5為本實用新型實施例的導(dǎo)電線圈的結(jié)構(gòu)示意圖三；
[0022]圖6為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7為本實用新型實施例的降壓型DC/DC變換器的簡化電路原理圖；
[0024]圖8為一典型的降壓型DC/DC變換器的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0026]如圖1至6所示，一種直流-直流變換器，包括無鐵芯硅基電感1、控制器3和至少一個電容2。
[0027]所述無鐵芯硅基電感I包括硅襯底11和導(dǎo)電線圈12，所述導(dǎo)電線圈12嵌入在硅襯底11中，所述導(dǎo)電線圈12具有多個匝，其相鄰匝之間有間隔，所述間隔由硅襯底11填充，也即導(dǎo)電線圈12相鄰匝之間為硅材料，所述導(dǎo)電線圈12與硅襯底之間設(shè)有絕緣層(圖中未示出)。本具體實施例中，導(dǎo)電線圈12為銅，當(dāng)然，在其它實施例中，也可以是銀或合金，導(dǎo)電線圈12可以是矩形的螺旋導(dǎo)電線圈，如圖3所示的正方形的螺旋導(dǎo)電線圈，也可以是其它幾何結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電線圈，如圖4所示的八邊型的螺旋線圈或圓形的螺旋線圈或如圖5所示的螺旋管狀的螺旋線圈(具體為矩形的螺旋管狀，即每匝線圈為矩形的螺旋管狀)。雖然圖1示出了一個導(dǎo)電線圈12，一個以上的導(dǎo)電線圈12也可以被嵌入在硅襯底11中。例如，多個導(dǎo)電線圈12可以在硅襯底11中相鄰放置。導(dǎo)電線圈12的導(dǎo)線厚度可以小于硅襯底11的厚度或等于硅襯底11的厚度。絕緣層為二氧化硅層，當(dāng)然，也可以是其它介電聚合物，例如，但不限于，光刻膠SU-8和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。導(dǎo)電線圈12可以通過電鍍嵌入在硅襯底11中，首先，可以采用硅的深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)在硅襯底11上刻蝕出溝槽，接著，通過加熱或等離子增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)方式鍍膜生成一層二氧化硅絕緣層在溝槽側(cè)壁，然后，通過電鍍將銅沉積在硅襯底11的溝槽內(nèi)，以形成導(dǎo)電線圈12的導(dǎo)線，電鍍中溢出的銅采用拋光去除。上述給出了大致的加工流程，具體工藝可以參照現(xiàn)有技術(shù)，此不再細說。由上可知，本實用新型采用的無鐵芯電感I由于不需要磁性材料的注入，其加工工序減少，加工難度降低，從而降低了加工成本，縮短加工流程，提高產(chǎn)品一致性及成品率，且由于不需要磁性材料，原料種類減少，方便管理，從而進一步降低了產(chǎn)品成本。
[0028]進一步的，無鐵芯硅基電感I還包括金屬環(huán)13，所述金屬環(huán)13嵌入在硅襯底11中，金屬環(huán)13的形狀可以與導(dǎo)電線圈12相匹配，所述導(dǎo)電線圈12位于金屬環(huán)13內(nèi)。金屬環(huán)13提供機械框架，提高機械魯棒性，同時幫助散熱，防止在劃片切割或使用過程中由于受熱產(chǎn)生應(yīng)力大致使硅襯底11開裂。金屬環(huán)13可以是銅或銀或合金等。金屬環(huán)13可以是與導(dǎo)電線圈12同時完成，不需要任何額外的工藝步驟;也可以是制作完導(dǎo)線線圈12，再制作金屬環(huán)13，制作方法與導(dǎo)線線圈12類似。
[0029]硅襯底11的至少一面上沉積有絕緣覆蓋層14，本實施例中，硅襯底11的兩個面上都沉積有絕緣覆蓋層14，絕緣覆蓋層14優(yōu)選為聚酰亞胺，通過涂覆方式覆蓋在硅襯底11上，在絕緣覆蓋層14上表面裸露多個線圈連接點15，每個線圈連接點15與導(dǎo)電線圈12的一部分接觸，線圈連接點15為銀或銅或合金，可以采用電鍍進行制作，首先，在硅襯底11上涂蓋第一層絕緣覆蓋層14并刻蝕出通孔以露出一部分導(dǎo)電線圈12，接著，通過電鍍銀或銅或合金以填充通孔并在第一層絕緣覆蓋層14上形成導(dǎo)電線路層，然后，涂蓋第二層絕緣覆蓋層14覆蓋導(dǎo)電線路層，并開窗以露出部分導(dǎo)電線路層形成多個線圈連接點15。上述給出了大致的加工流程，具體工藝可以參照現(xiàn)有技術(shù)，此不再細說。
[0030]控制器3和電容2為表面貼裝型，通過例如倒裝焊接技術(shù)或覆晶方式直接安裝在絕緣覆蓋層14上，并通過線圈連接點15，與導(dǎo)電線圈電氣連接。本實施例中，控制器3包括兩個N型MOS管，電容2的數(shù)量為兩個，可以實現(xiàn)降壓型DC/DC變換器，圖7給出了一種降壓型DC/DC變換器的簡化電路原理圖，虛框10表示本實用新型的DC/DC變換器，MOS管Mh和Ml為控制器3內(nèi)的兩個N型MOS管，電容Cinc和Cbst為安裝在絕緣覆蓋層14上的兩個電容2，Lm為無鐵芯硅基電感I。由于采用無鐵芯硅基電感，其電感量小，使用時就需要增大開關(guān)頻率，可以增大到現(xiàn)有的有鐵芯娃基電感的頻率的兩倍以上，由于增大了開關(guān)頻率，電路中電流通路寄生電感Lp的影響不容忽略，電容Cinc用于抑制電路寄生電感Lp在快速開關(guān)過程中產(chǎn)生的電壓尖峰，避免控制器3的內(nèi)部電路器件被電壓擊穿。MOS管Mh采用N型MOS管，而不采用傳統(tǒng)的P型MOS管，可以減小頻繁開關(guān)帶來的開關(guān)損耗，而且還可以減小IC芯片的面積。但是驅(qū)動N型MOS管Mh，需要比輸入電壓Vin更高的電壓，兩種電壓的壓差足夠大才能確保N型MOS管Mh完全導(dǎo)通。電容Cbst用于存儲驅(qū)動N型MOS管Mh所需的能量。在N型MOS管Mh關(guān)斷的時候，電容Cbst存儲驅(qū)動N型MOS管Mh所需的能量，在N型MOS管Mh需要導(dǎo)通時就能提供近乎兩倍輸入電壓Vin的驅(qū)動電壓，從而確保N型MOS管Mh完全導(dǎo)通。電容Cinc、電容Cbst、M0S管Mh、M0S管Ml和無鐵芯硅基電感Lm的具體連接關(guān)系可以參照圖8。
[0031]本實用新型采用無鐵芯硅基電感，并將控制器和電容安裝在硅基電感上進行集成，通過提尚工作的開關(guān)頻率，可以提尚到現(xiàn)有的有鐵芯娃基電感的頻率的兩倍以上，從而可以獲得與片外分立功率電感的DC/DC變換器或含鐵芯的硅基功率電感與IC芯片集成的DC/DC變換器相差無幾的性能，而且應(yīng)用場合不受限制，可應(yīng)用于強輻射環(huán)境或者電磁干擾嚴(yán)重的場合，比如醫(yī)療的X光設(shè)備或者核磁共振儀，體積更小，加工效率高，成本更低。
[0032]盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細節(jié)上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種直流-直流變換器，其特征在于:包括無鐵芯硅基電感、控制器和至少一個電容，所述無鐵芯硅基電感包括硅襯底和導(dǎo)電線圈，所述導(dǎo)電線圈嵌入在硅襯底中，所述導(dǎo)電線圈具有多個匝，其相鄰匝之間有間隔，所述間隔由硅襯底填充，所述導(dǎo)電線圈與硅襯底之間設(shè)有絕緣層，所述硅襯底的至少一個面上沉積有絕緣覆蓋層，所述控制器和電容安裝在絕緣覆蓋層上，并與導(dǎo)電線圈電氣連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述導(dǎo)電線圈為矩形螺旋狀、多邊形螺旋狀、圓形螺旋狀或螺旋管狀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述絕緣層為二氧化硅。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述無鐵芯硅基電感還包括金屬環(huán)，所述金屬環(huán)嵌入在硅襯底中，所述導(dǎo)電線圈位于金屬環(huán)內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述控制器和電容通過穿透所述絕緣覆蓋層的多個線圈連接點電氣連接到所述導(dǎo)電線圈，每個線圈連接點與導(dǎo)電線圈的一部分接觸。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述導(dǎo)電線圈為多個，相鄰放置嵌入在娃襯底中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述控制器包括兩個開關(guān)管。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述開關(guān)管為MOS管。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直流-直流變換器，其特征在于:所述開關(guān)管為N型MOS管，所述電容的數(shù)量為兩個。
【文檔編號】H02M3/04GK205490138SQ201620100236
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月1日
【發(fā)明人】王明亮, 林風(fēng)
【申請人】英麥科（廈門）微電子科技有限公司