CN102569252A - 适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的混合集成电感 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的混合集成电感。该电感由集成电路芯片与印刷电路板的键合线和印刷电路板的片上磁性材料组成。由于键合线的长度很短，利于集成，而磁性材料则可以大大提高电感的感值与品质因素。因此该电感可以实现低成本的大电感集成。相比于传统的电感集成方式，该结构面积小，寄生电阻低，品质因素高，可大大提高直流电压转换器和无线通讯收发机的工作效率。该电感适用于所需电感为百纳亨量级的开关型电压转换器和无线通讯收发机，可应用于各种便携式电子设备中。

Description

适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的混合集成电感

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适混合集成电感。采用该电感的电路可以应用于诸如手机、平板电脑、MP3等电池供电的便携式设备中。

技术背景

在当今消费类电子市场中，电池供电的便携式设备诸如智能手机、平板电脑、MP3等在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在便携式设备的管理控制芯片中，直流电压转换器将单一的电池电压转换为各种模块电路需要的工作电压，而无线通讯收发机则负责无线信号的发送与接收，实现移动通讯。因此，这两者是两个必不可少的模块电路。然而，传统开关电压转换器和无线通讯收发机中的电感需要占据印刷电路板上相当大部分面积，因此不利于减小便携式设备的体积和系统集成。

为了进一步减小便携式设备的体积，集成电感被尝试应用于直流电压转换器和无线通讯收发机中。然而，由于芯片上的集成电感为空心结构，且绕线的金属厚度小，因此电感值小，寄生电阻较大，品质因素低。这将增大电压转换器和无线收发机的电能损耗，恶化它们的整体效率。因此，目前在商业产品中几乎没有将电感直接集成在这两部分芯片内的结构。

本发明针对应用于直流电压转换器和无线通讯收发机需要高品质因素混合集成电感，通过连接印刷电路板焊盘的键合线，电路板下层金属线和片状磁性材料，得到高品质因素的电感，从而实现在印刷电路板上的高性能电感集成。由于采用了键合线与印刷电路板上连接金属组成电感的线圈部分，其电阻率很小，而线圈中的磁性材料可以将电感的感值提高到百纳亨量级，大大提高品质因素。因此只需要很小的印刷电路板面积就可以得到低寄生电阻，高品质因素的高性能集成电感，从而大大降低的集成电感所需的电压转换器开关频率，提高了转换器效率，使得集成电感在商业化产品中的广泛应用成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面积小，电阻率小，性能高的适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的高品质因素混合集成电感。

本发明所提供的适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的混合集成电感，其由印刷电路板1、焊盘2、键合线3、金属线4和片状磁性材料5组成。其中：

将一组多个焊盘2排成两行，且交错排列，设置在印刷电路板1上，所述键合线3在电路板外，以两个焊盘2为一小组，分别连接两行中一个错位排列的焊盘2；所述金属线4设置在印刷电路板1下层，以两个焊盘2为一小组，连接前述焊盘2，使焊盘2通过键合线3和金属线4形成之字型的依次连接，即形成电感的线圈部分；再将这组焊盘2的首尾焊盘2通过键合线3分别连接到集成电路芯片上的焊盘。所述片状磁性材料5设置于印刷电路板1上、键合线3下，且在两行焊盘2的中心位置，即在上述线圈的中心部位。如图2所示。从而实现与集成电路芯片上功率开关与控制电路的连接。

其中，键合线与印刷电路板下层金属线组成该电感线圈的主体部分，而片状磁性材料则作为电感的磁芯。由于键合线与印刷电路板上连接金属的电阻率很小，而线圈中磁性材料可以大大增加电感的感值和品质因素，因此采用这样的电感结构可以解决传统的电感实现方式中片外电感占用印刷电路板面积大，片上电感感值小，品质因素低的矛盾。

本发明优点在于实现了一种应用于直流电压转换器和无线通讯收发机中的低成本，体积小，品质因素高的电感结构。

附图说明

图1是本发明应用于直流开关型电压转换器中的总体电路结构图。

图2是本发明设计的高品质因素混合集成电感俯视图。

图3是本发明设计的高品质因素混合集成电感剖面图。

图中编号：1为印刷电路板，2为焊盘，3为键合线，4为金属线，5为片状磁性材料。

具体实施方式

以下根据附图及设计实例对本发明进行详细说明。

本发明设计的是一种适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的高品质因素混合集成电感。其应用于降压型电压转换器中的典型结构如图1所示。降压型电压转换器由功率级和控制级电路组成。其中功率级由功率管PMOS管、NMOS管和滤波电感L、滤波电容C、负载电阻R_o组成；控制级由反馈分压电路，误差放大器，锯齿波发生器，驱动等模块组成。控制级电路通过基准电压VREF与输出反馈电压VFB之间的差值经误差放大器放大和补偿后的差值ERROR与固定频率的锯齿波比较，得到占空比DUTY信号，最后通过驱动电路产生非重叠的驱动信号分别控制功率管PMOS管和NMOS管的导通与关断，从而实现对于降压型电压转换器的固定频率脉冲宽度调制。当DUTY信号为低电平时，PMOS管导通而NMOS管关断时，电感左端与电源相连接，电源通过电感对输出电容充电，电感电流上升，输出电压上升。当锯齿波信号SAW高于补偿信号COM时，比较器输出触发控制DUTY信号为高电平，NMOS管导通而PMOS管关断时，电感左端直接连地，输出电容通过电感放电，电感电流下降，输出电压下降。而当锯齿波信号经过一个周期后再次低于误差信号ERROR时，比较器输出触发控制DUTY信号为低电平，再次开启PMOS管而关断NMOS管。而本次发明所设计的高品质因素混合集成电感的作用是将高性能电感集成于印刷电路板上，在减小电路板面积的同时利用该电感的高感值和低寄生电阻特性，将原先需要提高到上百兆赫兹才能实现电感集成的开关频率降低为十兆赫兹左右，从而大大提高电压转换器的整体工作效率。 

图2是高品质因素混合集成电感的详细结构俯视图。该板上集成电感由连接印刷电路板焊盘的键合线，电路板下层金属线和片状磁性材料组成，并通过键合线与集成电路芯片上的焊盘相连接。其中焊盘间键合线和印刷电路板金属线形成电感的线圈部分，其主要材料是金和铜，其电阻率分别为2.4*10^-8Ω.m和1.65*10^-8Ω.m，在常用金属中属于电阻率较低的一类，因此其组成电感绕线后的寄生电阻较低。而导线中的磁性材料可以由磁性涂料或磁性微粉组成，由于磁性材料的相对磁导率远远大于1，因此相比于空心线圈，加入了磁性材料作为磁芯的混合集成电感其电感值和品质因素将大大提升。此外，由于有了磁芯，线圈的整体磁场强度将会主要集中于磁芯处，这样就减小了该电感产生的磁场对于外界其他电路的影响，因此相比于空心的片上集成电感其电磁干扰c问题更小。

图3是高品质因素混合集成电感的详细结构剖面图例，其尺寸可以根据应用场合不同而改变。其中L₁为印刷电路板上形成线圈的两个焊盘之间的间距，L₂距离集成电路芯片较近的一侧印刷电路板焊盘与芯片上焊盘的间距。H为印刷电路板的中间介质厚度，d为连接印刷电路板上层金属与下层金属之前的通孔直径，h为线圈中心磁性材料厚度，c为磁性材料厚度的宽度。下面估算一下该结构电感的尺寸，可以达到的电感值量级和品质因素。设电感的匝数为N，总长度为L₃。由于H>>h、d，在没有磁芯的情况下，其电感计算公式可近似表示为：

在加入磁性材料后，由于该结构电感的磁性回路是不闭合的，类似于工型电感，因此当磁性材料的磁导率>500时，其计算公式可以表示为：

其中：

将电感的典型应用尺寸代入计算：L₁=2mm， L₂=0.5mm，L3=4mm，H=4mm，d=0.2mm，h=0.2mm，c=1mm，N=5，形状系数K≈0.6，可以得到：

可以看到通过添加磁性材料，电感值相比于空心线圈增大了10倍。该数量级的电感已经可以适用于开关频率在十兆赫兹左右的电压转换器中。而该结构电感的寄生电阻可以估算为：（忽略连接通孔电阻）

其中和

分别为铜和金的电阻率，而S_Cu和S_Au为铜和金的导线截面积。设S_Cu=0.02mm²，S_Au=0.0036mm²，则总电阻为R_L≈81mΩ。因此电感在10MHz工作频率下的Q值为：

远远大于Q值只有十几的片上集成电感，因此本发明大大提高的集成电感的Q值和总体性能。

本发明不局限于上述实施例，并且它们是非限制性的和非穷尽的。

Claims (1)

1.一种适用于直流电压转换器和无线通讯收发机的混合集成电感，其特征在于由印刷电路板、焊盘、键合线、金属线和片状磁性材料组成；其中：

将一组多个焊盘排成两行，且交错排列，设置在印刷电路板上，所述键合线在电路板外，以两个焊盘为一小组，分别连接两行中一个错位排列的焊盘；所述金属线设置在印刷电路板下层，以两个焊盘为一小组，连接前述焊盘，使焊盘通过键合线和金属线形成之字型的依次连接，形成电感的线圈部分；再将这组焊盘的首尾焊盘通过键合线分别连接到集成电路芯片上的焊盘；所述片状磁性材料设置于印刷电路板上、键合线下，且在两行焊盘的中心位置。

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