CN105471254A - 一种直流-直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无铁芯硅基电感的直流-直流变换器。本发明公开了一种直流-直流变换器，包括无铁芯硅基电感、控制器和至少一个电容，所述无铁芯电感包括硅衬底和导电线圈，所述导电线圈嵌入在硅衬底中，所述导电线圈具有多个匝，其相邻匝之间有间隔，所述间隔由硅衬底填充，所述导电线圈与硅衬底之间设有绝缘层，所述硅衬底的至少一个面上沉积有绝缘覆盖层，所述控制器和电容安装在绝缘覆盖层上，并与导电线圈电气连接。本发明采用无铁芯硅基电感，并将控制器和电容集成在硅基电感上，结构体积小，成本低，效率不受影响，可广泛应用于便携式移动电子设备，且不受应用场合的限制，可应用于强辐射环境或者电磁干扰严重的场合。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件领域，具体地涉及一种基于无铁芯硅基电感的直流-直流变换器。
背景技术
直流-直流变换器(也称DC/DC变换器)是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。现有的DC/DC变换器基本都是采用片外分立功率电感，IC芯片和功率电感是分开的，体积重量相对较大，不适合应用于体积受限的移动电子设备。而且客户在使用时需要通过计算来选择功率电感，还涉及与功率电感供应商的确认、产品认证以及仓储相关的成本和物流问题，使用非常不便。
公开专利：CN102870175B公开了一种把含铁芯的硅基功率电感与IC芯片集成的DC/DC变换器，可显著减小体积。但是在一些苛刻的应用场合，例如强辐射环境或者电磁干扰严重的场合，铁芯的磁性材料会因为外部极高的磁通密度导致磁饱和而失去效用。这种应用场合禁止选用任何磁性材料。另外这种铁芯硅基电感结构比较复杂，在生产过程中需要在有限的面积内注入磁性材料，加工工序繁杂，难度高，原材料多，管理麻烦，不利于成本降低，产品一致性较差，而且影响成品率。
发明内容
本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种采用无铁芯硅基电感，结构体积小，成本低，效率不受影响，且不受应用场合限制，可应用于强辐射环境或者电磁干扰严重的场合的直流-直流变换器。
为此，本发明公开了一种直流-直流变换器，包括无铁芯硅基电感、控制器和至少一个电容，所述无铁芯电感包括硅衬底和导电线圈，所述导电线圈嵌入在硅衬底中，所述导电线圈具有多个匝，其相邻匝之间有间隔，所述间隔由硅衬底填充，所述导电线圈与硅衬底之间设有绝缘层，所述硅衬底的至少一个面上沉积有绝缘覆盖层，所述控制器和电容安装在绝缘覆盖层上，并与导电线圈电气连接。
进一步的，所述导电线圈为矩形螺旋状、多边形螺旋状、圆形螺旋状或螺旋管状。
进一步的，所述绝缘层为二氧化硅。
进一步的，所述无铁芯硅基电感还包括金属环，所述金属环嵌入在硅衬底中，所述导电线圈位于金属环内。
进一步的，所述控制器和电容通过穿透所述绝缘覆盖层的多个线圈连接点电气连接到所述导电线圈，每个线圈连接点与导电线圈的一部分接触。
进一步的，所述导电线圈为多个，相邻放置嵌入在硅衬底中。
进一步的，所述控制器包括两个开关管。
更进一步的，所述开关管为MOS管。
更进一步的，所述开关管为N型MOS管，所述电容的数量为两个。
本发明的有益技术效果：
与现有的采用片外分立功率电感的DC/DC变换器相比，本发明在无铁芯硅基电感上集成了控制器和电容，有利于减小移动电子设备的体积重量，优化变换器性能，降低损耗和延长系统运行时间，客户使用方便，消除了与片外分立功率电感供应商的确认，产品认证以及仓储相关的成本和物流问题。
与现有的含铁芯硅基电感相比，本发明的硅基电感不含铁芯，不存在磁饱和的问题，应用场合不受限制，可应用于强辐射环境或者电磁干扰严重的场合，不仅拥有铁芯硅基电感的体积重量小的特点，而且不需要磁性材料的注入，其加工工序的减少可以降低加工成本，缩短加工流程，提高产品一致性及成品率，且由于不需要磁性材料，原料种类减少，方便管理，从而降低产品成本。
附图说明
图1为本发明实施例的无铁芯硅基电感的结构示意图一；
图2为本发明实施例的无铁芯硅基电感的结构示意图二；
图3为本发明实施例的导电线圈的结构示意图一；
图4为本发明实施例的导电线圈的结构示意图二；
图5为本发明实施例的导电线圈的结构示意图三；
图6为本发明实施例的结构示意图；
图7为本发明实施例的降压型DC/DC变换器的简化电路原理图；
图8为一典型的降压型DC/DC变换器的电路原理图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图6所示，一种直流-直流变换器，包括无铁芯硅基电感1、控制器3和至少一个电容2。
所述无铁芯硅基电感1包括硅衬底11和导电线圈12，所述导电线圈12嵌入在硅衬底11中，所述导电线圈12具有多个匝，其相邻匝之间有间隔，所述间隔由硅衬底11填充，也即导电线圈12相邻匝之间为硅材料，所述导电线圈12与硅衬底之间设有绝缘层(图中未示出)。本具体实施例中，导电线圈12为铜，当然，在其它实施例中，也可以是银或合金，导电线圈12可以是矩形的螺旋导电线圈，如图3所示的正方形的螺旋导电线圈，也可以是其它几何结构的导电线圈，如图4所示的八边型的螺旋线圈或圆形的螺旋线圈或如图5所示的螺旋管状的螺旋线圈(具体为矩形的螺旋管状，即每匝线圈为矩形的螺旋管状)。虽然图1示出了一个导电线圈12，一个以上的导电线圈12也可以被嵌入在硅衬底11中。例如，多个导电线圈12可以在硅衬底11中相邻放置。导电线圈12的导线厚度可以小于硅衬底11的厚度或等于硅衬底11的厚度。绝缘层为二氧化硅层，当然，也可以是其它介电聚合物，例如，但不限于，光刻胶SU-8和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。导电线圈12可以通过电镀嵌入在硅衬底11中，首先，可以采用硅的深反应离子刻蚀(DRIE)在硅衬底11上刻蚀出沟槽，接着，通过加热或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)方式镀膜生成一层二氧化硅绝缘层在沟槽侧壁，然后，通过电镀将铜沉积在硅衬底11的沟槽内，以形成导电线圈12的导线，电镀中溢出的铜采用抛光去除。上述给出了大致的加工流程，具体工艺可以参照现有技术，此不再细说。由上可知，本发明采用的无铁芯电感1由于不需要磁性材料的注入，其加工工序减少，加工难度降低，从而降低了加工成本，缩短加工流程，提高产品一致性及成品率，且由于不需要磁性材料，原料种类减少，方便管理，从而进一步降低了产品成本。
进一步的，无铁芯电感1还包括金属环13，所述金属环13嵌入在硅衬底11中，金属环13的形状可以与导电线圈12相匹配，所述导电线圈12位于金属环13内。金属环13提供机械框架，提高机械鲁棒性，同时帮助散热，防止在划片切割或使用过程中由于受热产生应力大致使硅衬底11开裂。金属环13可以是铜或银或合金等。金属环13可以是与导电线圈12同时完成，不需要任何额外的工艺步骤；也可以是制作完导线线圈12，再制作金属环13，制作方法与导线线圈12类似。
硅衬底11的至少一面上沉积有绝缘覆盖层14，本实施例中，硅衬底11的两个面上都沉积有绝缘覆盖层14，绝缘覆盖层14优选为聚酰亚胺，通过涂覆方式覆盖在硅衬底11上，在绝缘覆盖层14上表面裸露多个线圈连接点15，每个线圈连接点15与导电线圈12的一部分接触，线圈连接点15为银或铜或合金，可以采用电镀进行制作，首先，在硅衬底11上涂盖第一层绝缘覆盖层14并刻蚀出通孔以露出一部分导电线圈12，接着，通过电镀银或铜或合金以填充通孔并在第一层绝缘覆盖层14上形成导电线路层，然后，涂盖第二层绝缘覆盖层14覆盖导电线路层，并开窗以露出部分导电线路层形成多个线圈连接点15。上述给出了大致的加工流程，具体工艺可以参照现有技术，此不再细说。
控制器3和电容2为表面贴装型，通过例如倒装焊接技术或覆晶方式直接安装在绝缘覆盖层14上，并通过线圈连接点15，与导电线圈电气连接。本实施例中，控制器3包括两个N型MOS管，电容2的数量为两个，可以实现降压型DC/DC变换器，图7给出了一种降压型DC/DC变换器的简化电路原理图，虚框10表示本发明的DC/DC变换器，MOS管MH和ML为控制器3内的两个N型MOS管，电容CINC和CBST为安装在绝缘覆盖层14上的两个电容2，LM为无铁芯硅基电感1。由于采用无铁芯硅基电感，其电感量小，使用时就需要增大开关频率，可以增大到现有的有铁芯硅基电感的频率的两倍以上，由于增大了开关频率，电路中电流通路寄生电感LP的影响不容忽略，电容CINC用于抑制电路寄生电感LP在快速开关过程中产生的电压尖峰，避免控制器3的内部电路器件被电压击穿。MOS管MH采用N型MOS管，而不采用传统的P型MOS管，可以减小频繁开关带来的开关损耗，而且还可以减小IC芯片的面积。但是驱动N型MOS管MH，需要比输入电压VIN更高的电压，两种电压的压差足够大才能确保N型MOS管MH完全导通。电容CBST用于存储驱动N型MOS管MH所需的能量。在N型MOS管MH关断的时候，电容CBST存储驱动N型MOS管MH所需的能量，在N型MOS管MH需要导通时就能提供近乎两倍输入电压VIN的驱动电压，从而确保N型MOS管MH完全导通。电容CINC、电容CBST、MOS管MH、MOS管ML和无铁芯硅基电感LM的具体连接关系可以参照图8。
本发明采用无铁芯硅基电感，并将控制器和电容安装在硅基电感上进行集成，通过提高工作的开关频率，可以提高到现有的有铁芯硅基电感的频率的两倍以上，从而可以获得与片外分立功率电感的DC/DC变换器或含铁芯的硅基功率电感与IC芯片集成的DC/DC变换器相差无几的性能，而且应用场合不受限制，可应用于强辐射环境或者电磁干扰严重的场合，比如医疗的X光设备或者核磁共振仪，体积更小，加工效率高，成本更低。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直流-直流变换器，其特征在于：包括无铁芯硅基电感、控制器和至少一个电容，所述无铁芯电感包括硅衬底和导电线圈，所述导电线圈嵌入在硅衬底中，所述导电线圈具有多个匝，其相邻匝之间有间隔，所述间隔由硅衬底填充，所述导电线圈与硅衬底之间设有绝缘层，所述硅衬底的至少一个面上沉积有绝缘覆盖层，所述控制器和电容安装在绝缘覆盖层上，并与导电线圈电气连接。
2.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述导电线圈为矩形螺旋状、多边形螺旋状、圆形螺旋状或螺旋管状。
3.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述绝缘层为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述无铁芯硅基电感还包括金属环，所述金属环嵌入在硅衬底中，所述导电线圈位于金属环内。
5.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述控制器和电容通过穿透所述绝缘覆盖层的多个线圈连接点电气连接到所述导电线圈，每个线圈连接点与导电线圈的一部分接触。
6.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述导电线圈为多个，相邻放置嵌入在硅衬底中。
7.根据权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述控制器包括两个开关管。
8.根据权利要求7所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述开关管为MOS管。
9.根据权利要求8所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述开关管为N型MOS管，所述电容的数量为两个。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160406 |