CN108880195A - 基于一体化封装的多通道电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于一体化封装的多通道电压转换器，包括封装在一体化外壳内的相互独立的多个电压转换单元，针对每个电压转换单元，其包括电压转换裸芯片，所述电压转换裸芯片的输入端通过对应第一电容接地，输出端通过对应第二电容接地并通过对应电阻连接其输出电压调节端，所述电压转换裸芯片的输出电压调节端外接可调电阻，通过调节所述可调电阻的阻值来对所述电压转换裸芯片的输出电压进行调节，所述电压转换裸芯片的输入端、输出端、输出电压调节端和使能端对应连接的引脚都从所述一体化外壳的一侧引出设置。本发明采用一体化封装，实现功率器件的多通道集成，减少了电路封装的尺寸，且散热效果较好、工作温度范围宽。

Description

基于一体化封装的多通道电压转换器

技术领域

本发明属于电子通讯技术领域，具体涉及一种基于一体化封装的多通道电压转换器。

背景技术

电压转换器一般应用在地面电子系统、手持及接口等军事设备中，是FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)等供电的关键器件，具有输出电压稳定，输出可调，多通道，低压差，低噪声，体积小，应用简单等特点，因此在通信设备中应用广泛。其输出电压的稳定性及低噪声直接决定了FPGA或DSP等的稳定性、可靠性和安全性。

然而，现有的电压转换器电路通常采用分离器件搭建，而且一般为单通道器件，这种技术实现方式因封装尺寸大、需要单独的散热片、工作温度范围窄等缺点大大限制了电路的应用场合，尤其是器件应用于军用电子系统中。

发明内容

本发明提供一种基于一体化封装的多通道电压转换器，以解决目前电压转换器电路搭建时尺寸较大、需要单独散热片、工作温度范围窄以及目前电压转换器为单通道器件的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于一体化封装的多通道电压转换器，包括封装在一体化外壳内的相互独立的多个电压转换单元，针对每个电压转换单元，其包括电压转换裸芯片，所述电压转换裸芯片的输入端通过对应第一电容接地，输出端通过对应第二电容接地并通过对应电阻连接其输出电压调节端，所述电压转换裸芯片的输出电压调节端外接可调电阻，通过调节所述可调电阻的阻值来对所述电压转换裸芯片的输出电压进行调节，所述电压转换裸芯片的输入端、输出端、输出电压调节端和使能端对应连接的引脚都从所述一体化外壳的一侧引出设置。

在一种可选实现方式中，所述一体化外壳由顶部到底部依次封装有第一信号层和第二信号层，所述第一信号层和第二信号层之间设置有地层和电源层，所述第一信号层上设置有多个电压转换单元，针对每个电压转换单元中的电压转换裸芯片，其输入端依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第一位置连接，所述第一位置通过传导布线与所述电源层上的第二位置连接，所述第二位置与输入端引脚连接；

所述电压转换裸芯片的输出端通过对应第二电容、金属孔与所述电源层连接，通过对应电阻连接其输出电压调节端，通过对应金属孔与所述第二信号层上的第三位置连接，所述第三位置通过传导布线与所述第二信号层上的第四位置连接，所述第四位置与输出端引脚连接；

所述电压转换裸芯片的输出电压调节端通过对应金属孔连接输出电压调节端引脚；

所述电压转换裸芯片的使能端依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第五位置连接，所述第五位置通过传导布线与所述电源层上的第六位置连接，所述第六位置与使能端引脚连接。

在另一种可选实现方式中，所述引脚采用PGA针栅阵列形式。

在另一种可选实现方式中，所述一体化外壳采用陶瓷材料，利用HTCC工艺制成。

在另一种可选实现方式中，所述地层和电源层进行大面积金属化。

在另一种可选实现方式中，第一电容、第二电容对应距离电压转换裸芯片的输入端、输出端越近，其滤波效果越好。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用一体化封装，设计单个腔体多层布线集成多通道电压转换单元，其中，所述电压转换单元包括电压转换芯片及电阻、电容，相对于现有的电压转换器，采用一体化封装，实现功率器件的多通道集成，减少了电路封装的尺寸；本发明通过在电压转换裸芯片的输入端和输出端分别增加对应电容进行滤波处理，可以滤除对应信号中的干扰信号；通过将电压转换裸芯片的使能端引出，对多个电压转换裸芯片的启闭进行选择性控制，可以在不需要对应电压转换裸芯片时控制其关闭，最大限度减小通道之间的相互干扰，提高了电压转换器工作的稳定性；此外，本发明通过在电压转换裸芯片的电压输出调节端与输出端之间增加对应电阻，并使电压输出调节端外接可调电阻，可以通过调节可调电阻的阻值来实现输出电压的调节；本发明通过使电压转换裸芯片的各个端口对应连接的引脚都从一体化外壳的相同侧引出，而非从一体化外壳的两侧引出，一方面可以降低电压转换器对电路版图的水平占据面积，使得相同面积的电路版图可安装的器件更多，另一方面采用针栅阵列引脚的方式可以增加引脚数，增加的这些引脚有助于增大器件的有效散热面，减小器件热阻，提升器件的散热能力，从而提升器件工作温度范围；

2、本发明通过设置四层布线，中间两层分别为地层和电源层，采用大面积金属化方式，作为直流信号的参考面及交流信号的参考面，有效减小器件走线的寄生电感和交流信号走线回路面积，从而交底瞬态变化对器件造成的影响，同时大面积金属化有助于减少器件自身热阻，提升器件散热能力；信号层为顶层和地层，作为信号布线及大电流走线回路，可以减小大电流支路上的线组，降低压降，从而减小损耗。由于本发明中电压转换器的引脚是从同一侧引出，因此电压转换器在安装完成后仅该侧的引脚与电路版图接触，器件四周均可就近放置其他外围元件，提升器件的整体集成度，同时引脚采用针栅阵列形式，类似一个一体的散热片，因此大大改善了器件的散热效果，提升器件的工作温度范围。本发明通过使电压转换裸芯片的输出电压调节端通过对应金属孔直接与输出电压调节端连接，可以降低输出电压调节过程中小信号传输的损耗，保证电压调节的正常进行；通过对电压转换器的分层结构进行设计，可以使电压转换裸芯片的输入电压范围为2V～6V，输出电压调节范围为0.8V～3.6V，最大输出负载电流3A，输入端IN输入电压与输出端0UT输出电压之间的最小压差为0.2V，通过在电压转换器内部集成下拉电阻，在外部使有时仅需要加一上拉调节电阻就能实现输出可调，当负载电流较大时，可以工作在低压差模式下，这样可以减小器件的损耗；

3、本发明采用PGA针栅引脚方式，极大提升了器件的整理散热能力，保证器件在大负载下正常工作，工作温度范围宽；

4、本发明通过对地层和电源层进行大面积金属化，可以最大限度保证信号回路小，较好的吸收信号辐射波，减小信号与信号之间的串扰，同时大面积金属化可以有效减小热阻，增大器件的散热效果；

5、本发明通过对第一电容、第二电容与电压转换裸芯片输入端、输出端的对应距离进行设计，可以提高电容滤波效果。

附图说明

图1是本发明基于一体化封装的多通道电压转换器中电压转换单元的一个实施例电路图；

图2是本发明基于一体化封装的多通道电路转换器的一个实施例电路图；

图3是本发明基于一体化封装的多通道电路转换器的一个实施例侧视图；

图4是图3中电压转换单元在第一信号层上的布置示意图；

图5是图3的引脚示意图；

图6是本发明基于一体化封装的多通道电路转换器的热仿真图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于一体化封装的多通道电压转换器中电压转换单元的一个实施例电路图。该基于一体化封装的多通道电压转换器可以包括封装在一体化外壳内的相互独立的多个电压转换单元，针对每个电压转换单元，其包括电压转换裸芯片110，所述电压转换裸芯片110的输入端IN通过对应第一电容C1接地，输出端OUT通过对应第二电容C2接地并通过对应电阻R1连接其输出电压调节端FB，所述电压转换裸芯片110的输出电压调节端FB外接可调电阻，通过调节所述可调电阻的阻值来对所述电压转换裸芯片110的输出电压进行调节，所述电压转换裸芯片110的输入端IN、输出端OUT、输出电压调节端FB和使能端EN对应连接的引脚都从所述一体化外壳的一侧引出设置。

本实施例中，第一电容C1用于滤除电压转换裸芯片110输入端IN输入的信号中的干扰信号，第二电容C2用于滤除电压转换裸芯片110输出端OUT输出的信号中的杂波信号，电压转换裸芯片110的使能端用于接收外部控制信号，以对电压转换裸芯片的启闭进行控制。本发明通过在电压转换裸芯片的输入端和输出端分别增加对应电容进行滤波处理，可以滤除对应信号中的干扰信号；通过将电压转换裸芯片的使能端引出，对多个电压转换裸芯片的启闭进行选择性控制，可以在不需要对应电压转换裸芯片时控制其关闭，最大限度减小通道之间的相互干扰，提高了电压转换器工作的稳定性。此外，本发明通过在电压转换裸芯片的电压输出调节端与输出端之间增加对应电阻，并使电压输出调节端外接可调电阻，可以通过调节可调电阻的阻值来实现输出电压的调节。本发明通过使电压转换裸芯片的各个端口对应连接的引脚都从一体化外壳的相同侧引出，而非从一体化外壳的两侧引出，一方面可以降低电压转换器对电路版图的水平占据面积，使得相同面积的电路版图可安装的器件更多，另一方面采用针栅阵列引脚的方式可以增加引脚数，增加的这些引脚有助于增大器件的有效散热面，减小器件热阻，提升器件的散热能力，从而提升器件工作温度范围。

为了保证电压转换单元同时使用时散热的均匀性，多个电压转换单元均匀分布在同一水平层上，以电压转换器包括5个电压转换单元为例，结合图2所示，两个第一电压转换单元分布在水平层的第一侧，两个第二电压转换单元分布在水平层上与第一侧相对的第二侧，剩余的一个第三电压转换单元分布在水平层的中间位置处，两个第一电压转换单元相对于纵轴对称设置，两个第二电压转换单元相对于纵轴对称设置，同时第一电压转换单元与第二电压转换单元相对于横轴对称设置。

结合图3所示，所述一体化外壳100由顶部到底部依次封装有第一信号层和第二信号层，所述第一信号层和第二信号层之间设置有地层和电源层，所述第一信号层上设置有多个电压转换单元，针对每个电压转换单元中的电压转换裸芯片，其输入端IN依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第一位置连接，所述第一位置通过传导布线与所述电源层上的第二位置连接，所述第二位置与输入端引脚连接。输入信号在传输时，首先通过输入端引脚传输给电源层，然后沿着电源层上布线传输至连接电源层与电压转换裸芯片输入端的对应金属孔，输入信号沿着对应金属孔传输给电压转换裸芯片的输入端。所述电压转换裸芯片的使能端依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第五位置连接，所述第五位置通过传导布线与所述电源层上的第六位置连接，所述第六位置与输出使能端引脚连接。使能信号在传输时，首先通过使能端引脚传输给电源层，然后沿着电源层上布线传输至连接电源层与电压转换裸芯片使能端的对应金属孔，使能信号沿着对应金属孔传输给电压转换裸芯片的使能端。

所述电压转换裸芯片的输出端通过对应第二电容、金属孔与所述电源层连接，通过对应电阻连接其输出电压调节端，通过对应金属孔与所述第二信号层上的第三位置连接，所述第三位置通过传导布线与所述第二信号层上的第四位置连接，所述第四位置与输出端引脚连接。输出信号在传输时，首先传输给连接电压转换裸芯片输出端与第二信号层的对应金属孔，然后沿着对应金属孔传输给第二信号层，沿着第二信号层上的布线传输至输出端引脚，再由输出端引脚输出。所述电压转换裸芯片的输出电压调节端通过对应金属孔连接输出电压调节端引脚。其中，结合图4所示，不仅电压转换裸芯片110设置在第一信号层120上，而且对应第一电容、第二电容和电阻都设置在第一信号层120上。

本发明通过设置四层布线，在地层实现电压转换裸芯片的接地，在电源层实现电压转换裸芯片输入信号、输出信号和使能信号的传输，在第二信号层实现电压转换裸芯片输入信号、使能信号和输出信号与外壳引脚的连接，这种层次分布可以有效减小信号之间的串扰，并且在电源层、第二信号层与对应引脚之间设置有对应的传导布线，通过对传导布线进行设计，可以使引脚更加集中排布。由于本发明中电压转换器的引脚是从同一侧引出，因此电压转换器在安装完成后仅该侧的引脚与电路版图接触，采用针栅阵列引脚的方式可以增加引脚数，增加的这些引脚有助于增大器件的有效散热面，减小器件热阻，提升器件的散热能力，引脚的集中排布可以提高电路版图的利用率。本发明通过使电压转换裸芯片的输出电压调节端通过对应金属孔直接与输出电压调节端连接，可以降低输出电压调节过程中小信号传输的损耗，保证电压调节的正常进行。

本发明使用的电压转换裸芯片的输入电压范围为2V～6V，输出电压调节范围为0.8V～3.6V，最大输出负载电流3A。当使能端EN为高电平时(≥2.4V)，电压转换裸芯片开启，输出设定的电压，当使能端EN为低电平时(≤0.8V)，电压转换裸芯片关断，输出电压为0V。输入端IN输入电压与输出端OUT输出电压之间的最小压差为0.2V，通过在电压转换器内部集成下拉电阻，在外部使有时仅需要加一上拉调节电阻就能实现输出可调，当负载电流较大时，可以工作在低压差模式下，这样可以减小器件的损耗。另外，地层和电源层上可以进行大面积金属化，这样可以最大限度保证信号回路小，较好的吸收信号辐射波，减小信号与信号之间的串扰，同时大面积金属化可以有效减小热阻，增大器件的散热效果。

在上述电压转换器单元中，电阻、第一电容和第二电容选用0402封装的片式元件，这样可以大大度减小封装面积，同时，第一电容、第二电容对应距离电压转换裸芯片的输入端、输出端越近，其滤波效果越好。所选用电子元器件能够满足军用使用环境，工作温度范围提升到-55℃～125℃，扩大了多通道电压转换器的应用范围。

本实施例中，一体化外壳采用陶瓷材料，利用HTCC(高温共烧陶瓷)工艺制成，引脚采用PGA针栅阵列形式(如图5所示)，中心间距1.27mm，引脚数144，引脚直径Φ0.3mm，引脚长度4.5mm，引脚材料为4J42。引出端互连关系直接通过通孔到引脚，大大缩短了常规的两面引出或四面引出的互连线长度，同时直接通过芯片背面打通孔到引出端，大大减小了器件热传递路径。电压转换器设计单路最大功耗1.25W，五路总功耗1.25*5＝6.25W，热仿真芯片内部与外壳之间的最大温差为8℃(请参阅图6)。本实施例中，基于一体化封装的多通道电压转换器采用多芯片集成技术与微组装工艺，将多个电压转换单元及电阻电容集成在一个陶瓷封装的一体化外壳中，尺寸为19.0mm*19.0mm*3.5mm，水平面积361mm²，而常规单路电参数性能的器件尺寸为15mm*9mm(不含引脚长度)，五个面积为675mm，面积直接缩小了47％，而且常规设计方案外围还需要加相应的电阻、电容等无源器件，使用时，有效使用面积会缩小更多。本实施例中对应电阻的取值范围为10KΩ至15KΩ。

综上所述，本发明采用一体化封装集成多路电压转换器，相对于现有的实现方式，能有效地减小器件面积，在整机小型化要求趋势下，特别是FPGA或DSP等板卡要求集成度很高的条件下，对所选用的元器件封装尺寸要求很高，本发明提供的一体化封装多路电压转换器实现方式能有效地缩减使用面积，满足整机使用要求，具有较高的市场应用价值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，包括封装在一体化外壳内的相互独立的多个电压转换单元，针对每个电压转换单元，其包括电压转换裸芯片，所述电压转换裸芯片的输入端通过对应第一电容接地，输出端通过对应第二电容接地并通过对应电阻连接其输出电压调节端，所述电压转换裸芯片的输出电压调节端外接可调电阻，通过调节所述可调电阻的阻值来对所述电压转换裸芯片的输出电压进行调节，所述电压转换裸芯片的输入端、输出端、输出电压调节端和使能端对应连接的引脚都从所述一体化外壳的一侧引出设置。

2.根据权利要求1所述的基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，所述一体化外壳由顶部到底部依次封装有第一信号层和第二信号层，所述第一信号层和第二信号层之间设置有地层和电源层，所述第一信号层上设置有多个电压转换单元，针对每个电压转换单元中的电压转换裸芯片，其输入端依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第一位置连接，所述第一位置通过传导布线与所述电源层上的第二位置连接，所述第二位置与输入端引脚连接；

所述电压转换裸芯片的输出端通过对应第二电容、金属孔与所述电源层连接，通过对应电阻连接其输出电压调节端，通过对应金属孔与所述第二信号层上的第三位置连接，所述第三位置通过传导布线与所述第二信号层上的第四位置连接，所述第四位置与输出端引脚连接；

所述电压转换裸芯片的输出电压调节端通过对应金属孔连接输出电压调节端引脚；

所述电压转换裸芯片的使能端依次通过对应第一电容、金属孔与所述地层连接，并通过对应金属孔与所述电源层上的第五位置连接，所述第五位置通过传导布线与所述电源层上的第六位置连接，所述第六位置与使能端引脚连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，所述引脚采用PGA针栅阵列形式。

4.根据权利要求1所述的基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，所述一体化外壳采用陶瓷材料，利用HTCC工艺制成。

5.根据权利要求2所述的基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，所述地层和电源层进行大面积金属化。

6.根据权利要求1所述的基于一体化封装的多通道电压转换器，其特征在于，第一电容、第二电容对应距离电压转换裸芯片的输入端、输出端越近，其滤波效果越好。