CN113973429A - 一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法 - Google Patents

一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法，通过重新对上下层基板进行布局，下层基板在上下层接插件互联的区域以及外引线的区域挖孔并设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域挖孔设置焊盘。通过合理设置接插件焊盘的位置，可以在上层基板中心位置预留出一片区域放置封装形式为SOP‑8的塑封器件，在该器件的背面同样可以放置一只SOP‑8的器件，这样布线就可以大大减少模块的尺寸，使用接插件实现互联的方式较单层基板的方案尺寸缩减了三分之二以上，较引线反向延伸互联的方案，尺寸缩减了50％以上，大大的提高了隔离栅极驱动器模块的适应性，使得在实际使用过程中能够节省安装空间。

Description

一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法
技术领域
本发明属于半导体混合集成电路设计技术、工艺技术，涉及军用、民用混合集成电路，具体涉及一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法。
背景技术
继电器作为常用的器件，可以实现系统端口的开关控制，适用于各种系统。常见继电器由隔离栅极驱动部分匹配不同的输出管使用，输出管直接决定系统的输出能力，由于继电器输出电压、电流各异，组装方式和散热要求不一致，会导致继电器尺寸各异、选型困难。相比于传统的继电器，栅极驱动器将继电器内部的隔离栅极驱动部分单独集成在一个封装内，使用更为灵活，用户可以根据实际需求自行外接匹配输出管，减少了系统布线难度以及选型难度。但是目前的栅极驱动器电路尺寸偏大且功能单一，大大限制了其在系统中的使用，具体存在的问题如下所示：
1.尺寸偏大，由于栅极驱动器在系统中使用频率高，部分系统需要使用数十只栅极驱动器电路，故栅极驱动器的尺寸控制是研制的关键。常见的栅极驱动器模块，内部需要使用数字隔离器、电源转换芯片、电源转换变压器与输出驱动芯片，上述芯片的封装尺寸均较大，采用单层布线的方案会导致器件的尺寸偏大，单层布线的栅极驱动器模块预估尺寸如附图1所示。
通过附图1可以看出，仅仅将所用元器件进行平铺罗列，栅极驱动器布线尺寸就达到了26.6mm×17.8mm，模块尺寸过大，不利于系统小型化
2.功能单一，栅极驱动器仅能实现驱动功能，应增加开关状态反馈等功能。
发明内容
针对现有技术中存在栅极驱动器尺寸大、功能单一的问题，本发明提供一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，包括双层PCB基板；
所述双层PCB基板包括接插件互联的上层基板和下层基板，在上层基板两侧的插接件位置均预留出安装SOP-8塑封器件的区域；
所述安装SOP-8塑封器件的区域分别位于上层基板两侧的中心位置；
所述下层基板在两侧接插件互联的区域以及外引线的区域设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域设置焊盘；
所述上层基板设置有一只双向数字隔离器，用以隔离驱动和隔离反馈；
所述下层基板设置有驱动器芯片，用以放大弱电信号。
进一步，所述上层基板和下层基板尺寸不大于18.05mm×8.30mm。
进一步，所述隔离栅极驱动器模块尺寸不大于20.0mm×10.0mm。
进一步，所述上层基板的上侧还设置有磁环，上层基板的下侧对应磁环的位置为净空区域。
进一步，所述双向数字隔离器具有两路输出且输出方向相反。
进一步，所述双向数字隔离器次级输入端与隔离电源之间设置有一只电阻，次级输入端依次连接有二极管的阴极、阳极，VDMOS管漏极、源极至地电极。
进一步，所述双向数字隔离器开关开启时源极漏极接通，次级输入端电压为0.7V，隔离反馈输出端输出为低；
开关关断时源极漏极断开，次级输入电压为隔离电源的电压，隔离反馈输出端输出为高电平。
进一步，所述隔离栅极驱动器模块的电路引脚间距不小于电路内部使用所有器件的尺寸。
一种双层结构的隔离栅极驱动器的方法，包括以下步骤，
步骤一，对塑封器件排潮，并采用再流焊焊接在上层基板和下层基板上；
步骤二，接插件和管壳内引线搪锡去金，采用手工焊接在下层基板上；
步骤三，上层基板和下层基板均利用基板上的焊盘手工焊接在引线上，实现互联。
进一步，所述步骤一、步骤二和步骤三结束后，均设置有检验环节，所述检验环节包括：在步骤一和步骤二结束后，针对上层基板和下层基板的外观、粘接可靠性、焊接可靠性进行评估，并利用剪切试验评估元器件结合的机密程度；在步骤三结束后，进行接插件焊接的检验；最后，在电路的封装结束后，利用检漏实验对整个模块的密封性进行评估。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构及方法，通过重新对上下层基板进行布局，下层基板在上下层接插件互联的区域以及外引线的区域挖孔并设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域挖孔设置焊盘。通过合理设置接插件焊盘的位置，可以在上层基板中心位置预留出一片区域放置封装形式为SOP-8的塑封器件，在该器件的背面同样可以放置一只SOP-8的器件，这样布线就可以大大减少模块的尺寸，使用接插件实现互联的方式较单层基板的方案尺寸缩减了三分之二以上，较引线反向延伸互联的方案，尺寸缩减了50％以上，大大的提高了隔离栅极驱动器模块的适应性，使得在实际使用过程中能够节省安装空间。
附图说明
图1为单层布线栅极驱动器预估尺寸结构示意图；
图2为现有技术中引线互联双层结构布版方式；
图3为SOP-8塑封器件结构示意图；
图4为采用引线互联双层结构的一种布线尺寸；
图5为采用引线互联双层结构的另一种布线尺寸；
图6为采用接插件互联的双层结构的上层基板尺寸；
图7为采用接插件互联的双层结构的下层基板尺寸；
图8为本发明具体实施例中采用接插件互联的双层结构的上层基板布线；
图9为本发明具体实施例中采用接插件互联的双层结构的下层基板布线；
图10为现有技术中双层基板结构模块一般互联方式；
图11为本发明具体实施例中隔离栅极驱动器结构示意图；
图12为现有技术中单向数字隔离器结构示意图；
图13为本发明具体实施例中双向数字隔离器结构示意图；
图14为本发明具体实施例中隔离反馈输出的原理图；
图15为本发明具体实施例中接插件互联双层结构隔离栅极驱动器组装工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，
隔离栅极驱动器内部主要使用电源转换芯片、数字隔离器芯片、驱动器芯片、磁环以及相应配套的阻容元件，如果采用单层布线，模块尺寸预估不小于26mm×17mm，如图1和图10所示。
考虑到尺寸问题，于是决定采用双层结构布线。双层结构的难点在于双层基板的电互联及结构互联，在设计的过程中，首先考虑将外引线在腔体内部进行延长，上下层基板均利用基板上的焊盘焊接在引线上，实现互联，如图4和图5所示，该种方案已经成熟用于多款电路，出于器件受力均匀考虑，器件“X方向”各引线间距应相等，故该方案将上下层基板均分割成三个方格大小相等的区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，如附图2所示，，电路引脚间距必须至少大于电路内部使用的最大器件的尺寸。
于是考虑采用一种新的结构，下层基板仍然采用焊接的方式与外引线实现互联，上层基板与下层基板之间采用接插件进行互联，接插件的位置可以自由分布，从而可以在上层基板的正反面，分别预留出一个SOP-8塑封器件的空间，SOP-8塑封器件如图3所示，实现基板和模块尺寸变小。
根据上述设计思路，重新对上下层基板进行布局，如图6和图7所示，下层基板在上下层接插件互联的区域以及外引线的区域挖孔并设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域挖孔设置焊盘。通过合理设置接插件焊盘的位置，可以在上层基板中心位置预留出一片区域放置封装形式为SOP-8的塑封器件，在该器件的背面同样可以放置一只SOP-8的器件，这样布线就可以大大减少模块的尺寸。
本发明一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，如图11所示，包括双层PCB基板；
所述双层PCB基板包括接插件互联的上层基板和下层基板，在上层基板两侧的插接件位置均预留出安装SOP-8塑封器件的区域；
所述安装SOP-8塑封器件的区域分别位于上层基板两侧的中心位置；
所述下层基板在两侧接插件互联的区域以及外引线的区域设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域设置焊盘；
所述上层基板设置有一只双向数字隔离器，用以隔离驱动和隔离反馈；
所述下层基板设置有驱动器芯片，用以放大弱电信号。
进一步的，上层基板和下层基板尺寸不大于18.05mm×8.30mm，整个尺寸不大于20.0mm×10.0mm，使用接插件实现互联的方式较单层基板的方案尺寸缩减了三分之二以上，较引线反向延伸互联的方案，尺寸缩减了50％以上，电路的结构示意图如图6和图7所示。
进一步的，上层基板的上侧还设置有磁环，上层基板的下侧对应磁环的位置为净空区域。
进一步的，与驱动功能一样，开关状态反馈功能也需要进行经过隔离，只不过隔离的方向相反，如果使用单向数字隔离器进行隔离，电路外形尺寸会大大增加，于是经过调研决定使用双向输出数字隔离器，相比于传统栅极驱动器使用的单向数字隔离器，两者对比如图12和图13所示，其中图12为单向数字隔离器，图13为双向数字隔离器，双向数字隔离器集成了两路输出、输出方向相反的隔离通道；采用该种器件之后，栅极驱动器可以仅仅使用一只数字隔离器就实现隔离驱动与隔离反馈的功能。
在实现开关状态反馈模块的设计过程中，在双向数字隔离器次级输入端与隔离电源之间放置一只电阻，次级输入端一次经过二极管阴极、阳极，VDMOS管漏极、源极至地电极，具体线路图如附图14所示，当开关开启时源极漏极接通，数字隔离器次级输入端电压为0.7V(二极管的压降)，隔离反馈输出端输出为低；当开关关断时源极漏极断开，数字隔离器次级输入电压为隔离电源的电压，隔离反馈输出端输出为高电平。
具体的，接插件互联的双层结构的上层基板布线，如图8所示，接插件互联的双层结构的下层基板布线，如图9所示。
一种双层结构的隔离栅极驱动器的方法，如图15所示，包括以下步骤，
步骤一，对塑封器件排潮，采用再流焊焊接在上层基板和下层基板上；
步骤二，接插件和管壳内引线搪锡去金，采用手工焊接在下层基板上；
步骤三，上层基板和下层基板均利用基板上的焊盘手工焊接在引线上，实现互联。
具体的，该模块采用双层PCB，其中下层PCB单面组装，即下层基板，上层PCB双面组装，即上层基板，内部元器件为塑封器件和磁环，下层基板与管壳引腿采用手工焊直接互连，上层基板和下层基板互连采用排插手工焊接互连，上层磁环采用手工焊焊接，其它元器件采用回流焊进行焊接。
进一步的，所述步骤一、步骤二和步骤三结束后，均设置有检验环节，所述检验环节包括：在步骤一和步骤二结束后，针对上层基板和下层基板的外观、粘接可靠性、焊接可靠性进行评估，并利用剪切试验评估元器件结合的机密程度；在步骤三结束后，进行接插件焊接的检验；最后，在电路的封装结束后，利用检漏实验对整个模块的密封性进行评估。
进一步的，模块在生产过程中，首先对内部元器件进行外观检验以及二筛实验，外壳接插件等进行外观评估。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，包括双层PCB基板；
所述双层PCB基板包括接插件互联的上层基板和下层基板，在上层基板两侧的插接件位置均预留出安装SOP-8塑封器件的区域；
所述安装SOP-8塑封器件的区域分别位于上层基板两侧的中心位置；
所述下层基板在两侧接插件互联的区域以及外引线的区域设置焊盘，上层基板仅在接插件焊接的区域设置焊盘；
所述上层基板设置有一只双向数字隔离器，用以隔离驱动和隔离反馈；
所述下层基板设置有驱动器芯片，用以放大弱电信号。
2.根据权利要求1所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述上层基板和下层基板尺寸不大于18.05mm×8.30mm。
3.根据权利要求1所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述隔离栅极驱动器模块尺寸不大于20.0mm×10.0mm。
4.根据权利要求1所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述上层基板的上侧还设置有磁环，上层基板的下侧对应磁环的位置为净空区域。
5.根据权利要求1所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述双向数字隔离器具有两路输出且输出方向相反。
6.根据权利要求5所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述双向数字隔离器次级输入端与隔离电源之间设置有一只电阻，次级输入端依次连接有二极管的阴极、阳极，VDMOS管漏极、源极至地电极。
7.根据权利要求6所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述双向数字隔离器开关开启时源极漏极接通，次级输入端电压为0.7V，隔离反馈输出端输出为低；
开关关断时源极漏极断开，次级输入电压为隔离电源的电压，隔离反馈输出端输出为高电平。
8.根据权利要求1所述一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，其特征在于，所述隔离栅极驱动器模块的电路引脚间距不小于电路内部使用所有器件的尺寸。
9.一种双层结构的隔离栅极驱动器的方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述任意一种双层结构的隔离栅极驱动器的结构，包括以下步骤，
步骤一，对塑封器件排潮，并采用再流焊焊接在上层基板和下层基板上；
步骤二，接插件和管壳内引线搪锡去金，采用手工焊接在下层基板上；
步骤三，上层基板和下层基板均利用基板上的焊盘手工焊接在引线上，实现互联。
10.根据权利要求9所述的一种一种双层结构的隔离栅极驱动器的方法，其特征在于，所述步骤一、步骤二和步骤三结束后，均设置有检验环节，所述检验环节包括：在步骤一和步骤二结束后，针对上层基板和下层基板的外观、粘接可靠性、焊接可靠性进行评估，并利用剪切试验评估元器件结合的机密程度；在步骤三结束后，进行接插件焊接的检验；最后，在电路的封装结束后，利用检漏实验对整个模块的密封性进行评估。
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