CN208208755U

CN208208755U - 一种电源系统

Info

Publication number: CN208208755U
Application number: CN201820726970.3U
Authority: CN
Inventors: 王文君; 谢文刚; 陈小平; 顾勇; 陈佳
Original assignee: ShenZhen Guowei Electronics Co Ltd
Current assignee: ShenZhen Guowei Electronics Co Ltd; Shenzhen State Micro Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2028-05-15

Abstract

本实用新型涉及电源封装技术领域，提供了一种电源系统，包括封装机构和控制芯片、电感器和分立器件，封装机构包括基板、分别设置于基板侧边的管壳墙体和设置于管壳墙体顶端的密封盖板，基板、管壳墙体和密封盖板形成用于设置控制芯片、电感器和分立器件的密封空间，电感器设置于控制芯片和分立器件的上方，密封空间内设有用于支撑电感器的支撑结构。本实用新型提供的电源系统通过将电源系统的组件中高度最高的电感器设置在高度小于电感器的控制芯片和分立器件上方，充分利用了控制芯片和分立器件上方的空间，从而使得电源系统尺寸变小；并且控制芯片、电感器和分立器件均设置在封装机构中，即，所有器件均采用了密封封装，可靠性高。

Description

一种电源系统

技术领域

本实用新型属于电源封装技术领域，特别涉及一种电源系统。

背景技术

随着集成电路行业的发展，电子封装技术也在不断变革创新，先后出现了许多新技术和新结构，例如球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)、倒扣焊(flip chip)和晶圆级封装(Wafer Level Package，WLP)等，这些技术的不断推出，都有一个最主要的目的：提高组装密度和功率密度，即在更小的体积内集成更多的功能，提高单位体积所能承载的功率。特别是系统封装(System In a Package，SIP)的出现，标志着电子封装技术进入了一个新时代，系统封装将多个芯片和分立器件在封装壳体内部组装在一起，构成一个系统或子系统。系统封装技术已经成为一种重要的先进封装和系统集成技术，它有助于实现电子产品的小型化和多功能化。

系统封装中，所有的芯片和电子元器件都组装在一个基板上，基板提供了这些器件的安装平台，同时实现它们的电气连通。电源系统，在封装内部集成了控制芯片、功率管、二极管、电阻、电容、电感器等分立器件，构成了一个完整的电源系统，使用时仅需要在封装外部进行简单的配置即可，具有极高的使用便利性和可靠性。

如图1，为一种传统的电源系统的结构示意图，从图中可以看出，所有的器件都位于密封腔体91内，器件安装于基板92并通过基板92上的走线层93以及键合线连接，其中分立器件94包含了电阻、电容、二极管、三极管和功率管等。基板92的安装面为一个平面结构，即所有的器件，包括芯片95，电感器96以及分立器件94，都位于同一平面。对于DC/DC类型的电源系统，电感器96通常是所有器件中高度最高的，系统封装的高度通常由电感器96的高度决定。

上述的系统封装方式由于其工艺原因，在相同集成度条件下，其尺寸通常较大，与追求小尺寸化的发展方向相悖，同时基板还设置有管壳墙体结构，留给器件布局布线的空间更加狭小。对于DC/DC类电源系统，封装内部体积最大的器件通常是电感器，高度最高的器件也是电感器，电感器的尺寸直接决定了电源系统的封装尺寸。而随着电源系统功率的增加，电感器的电流能力也需要更强，这意味着电感器的尺寸需要加大，所以越是功率大的电源系统，通过上述的系统封装方式就越难实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电源系统，以解决现有技术中存在的电源系统尺寸大的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电源系统，包括封装机构和设置于所述封装机构内部的控制芯片、电感器和分立器件，所述封装机构包括基板、分别设置于所述基板侧边的管壳墙体和设置于所述管壳墙体顶端的密封盖板，所述基板、管壳墙体和密封盖板形成用于设置所述控制芯片、电感器和分立器件的密封空间，所述电感器设置于所述控制芯片和分立器件的上方，所述密封空间内设有用于支撑所述电感器的支撑结构。

进一步地，所述基板包括基板本体、设置于所述基板本体顶部的凹槽和设置于所述基板本体顶部侧端的台阶，所述支撑结构为所述台阶，所述控制芯片和所述分立器件设置于所述凹槽内部，所述电感器设置于所述台阶上。

进一步地，所述封装机构还包括设置于所述基板内部并且用于连接所述控制芯片、分立器件和电感器的走线层。

进一步地，所述走线层包括与所述控制芯片和所述分立器件连接的水平布线层和与所述电感器连接的垂直布线层。

进一步地，所述封装机构还包括设置于所述台阶上并且用于与电感器连接的电感焊盘，所述垂直布线层与所述电感焊盘连接并且所述电感焊盘的径向面积大于所述垂直布线层的径向面积。

进一步地，所述分立器件和控制芯片采用打线键合的方式或者倒扣焊的方式设置于所述基板上。

进一步地，所述分立器件包括功率管、电容、电阻和二极管。

进一步地，所述基板底面包括用于连接电路板的锡球。

进一步地，所述基板底面包括用于连接电路板的基板焊盘。

进一步地，所述基板和管壳墙体为陶瓷材质。

本实用新型提供的电源系统的有益效果在于：

首先，通过将电源系统的器件中高度最高的电感器设置在高度小于电感器的控制芯片和分立器件上方，充分利用了控制芯片和分立器件上方的空间，从而使得电源系统尺寸变小；其次，在给定封装尺寸的设计中，可以选用尺寸更大的电感器，即电感器具有更小的DCR(直流电阻，Direct Current Resistance)，更大的饱和电流，或者更大的电感量，由此带来的好处是，提高效率，降低输出纹波电压，更强的短路保护能力，或者，在给定电源系统电气规格的条件下，采用上述立体封装结构，可以缩小封装尺寸和体积；最后，控制芯片、电感器和分立器件均设置在封装机构中，即，所有器件均采用了密封封装，可靠性高。

附图说明

图1是现有技术中的电源系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的电源系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的采用倒扣焊设置方式的电源系统的结构示意图。

图中各附图标记为：

封装机构	1	密封盖板	13	水平布线层	151
						控制芯片	2	密封空间	14	垂直布线层	152
电感器	3	基板本体	111	电感焊盘	16
						分立器件	4	凹槽	112	锡球	17
基板	11	台阶	113	键合线	18
						管壳墙体	12	走线层	15

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或指示技术特征的数量。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行更加详细的描述：

图2至图3示出了本实用新型实施例提供的一种电源系统。

如图2，本实用新型实施例提供的一种电源系统，包括封装机构1和设置于封装机构1内部的控制芯片2、电感器3和分立器件4，封装机构1包括基板11、分别设置于基板11侧边的管壳墙体12和设置于管壳墙体12顶端的密封盖板13，基板11、管壳墙体12和密封盖板13形成一个用于设置控制芯片2、电感器3和分立器件4的密封空间14，电感器3设置于控制芯片2和分立器件4的上方，所述密封空间14内设有用于支撑所述电感器3的支撑结构。

本实施例提供的电源系统的具有以下技术效果：

首先，通过将电源系统的组件中高度最高的电感器3设置在高度小于电感器3的控制芯片2和分立器件4上方，充分利用了控制芯片2和分立器件4上方的空间，可以将电感器3在横向的面积扩展到接近密封空间14的横向面积，进而可以在保证功能不变的情况下将其高度做小，使其占用较小的空间高度，从而使得电源系统尺寸变小；其次，在给定封装尺寸的设计中，可以选用尺寸更大的电感器3，即电感器3具有更小的DCR(直流电阻，DirectCurrent Resistance)，更大的饱和电流，或者更大的电感量，由此带来的好处是，提高效率，降低输出纹波电压，更强的短路保护能力，或者，在给定电源系统电气规格的条件下，采用上述立体封装结构，可以缩小封装尺寸和体积；最后，控制芯片2、电感器3和分立器件4均设置在封装机构1中，即，所有器件均采用了密封封装，可靠性高。

进一步地，基板11包括基板本体111、设置于基板本体111顶部的凹槽112和设置于基板本体111顶部侧端的台阶113，台阶113为支撑结构，控制芯片2和分立器件4设置于凹槽112内部，电感器3设置于台阶113上。

控制芯片2、分立器件4和电感器3的装配采用立体结构，基板本体111被挖空形成一个凹槽112，该凹槽112底面为第一安装层，在基板本体111顶部侧端形成有两个台阶113，该台阶113为第二安装层，尺寸最大的电感器3位于第二安装层，尺寸较小并且体积相当的控制芯片2和分立器件4位于第一安装层，相对于传统的电源系统，节省了电感器3安装面积，电感器3的尺寸最大可以接近封装机构1的尺寸。例如对于长宽15mm×15mm的电源系统封装尺寸，可用于内部器件布局布线设计的区域大小为长宽13.5mm×13.5mm，最大电感器3尺寸可以选用长宽12mm×12mm的尺寸。而传统结构的电源系统，除去控制芯片2和其他分立器件4占据的面积，电感器3可以选取的最大尺寸大致为长宽6mm×6mm。对于现在主流电感器3厂商的产品型号，即意味着相同电感值条件下，电感器3的等效直流电阻DCR可以减小50％，电感器3的饱和电流可以提高100％。电感器3的铜损可以通过公式：其中I为电源系统的输出电流，DCR为电感器3的等效直流电阻，DCR减小50％，则电感器3的功率损耗降低50％，对于电源系统而言，整体效率大致可提升20％。同时封装内部总的功率耗散减小，相同输出功率条件下，内部温度更低。更高的饱和电流值意味着系统更不容易发生失控的过流，以及可以设计更高的输出电流限制值，增强峰值功率输出能力。

通过采用上述的电源系统的封装结构，可以选用尺寸更大的电感器3，除了可以选取更低DCR和更高饱和电流的电感器3，我们还可以选取更大电感值的电感器3，以减小输出纹波。对于BUCK(降压式变换电路)型的DC/DC电源系统，其电感器3纹波电流为:其中V_IN为电源系统的输入电源电压，V_OUT为电源系统的输出电压，f_OSC为电源系统的工作频率，L为电感值。电源系统的输出电压纹波为ΔV_OUT＝I_RIPPLE×ESR，其中ESR为电源系统输出电容的等效串联电阻。从公式可以看出，在固定输入电压，输入电压，工作频率，输出电容相等的条件下，输出电压纹波与电感器3值成反比。

进一步地，封装机构1还包括设置于基板11内部并且用于连接控制芯片2、分立器件4和电感器3的走线层15。控制芯片2、分立器件4和电感器3在工作过程中将自身发出的热量传导至走线层15，而走线层15嵌于基板11内部，并且在基板11内部延伸，与基板11有较大的接触面积，基板11可将走线层15的热量充分传输至外界，提升散热效果。

进一步地，走线层15包括与控制芯片2和分立器件4连接的水平布线层151和与电感器3连接的垂直布线层152。走线层15包括水平布线层151和垂直布线层152，一方面是为了适应电感器3、控制芯片2和分立器件4分别设置于上下两层安装层的结构，另一方面也加长了走线层15在基板11内部的水平方向和竖直方向上的长度，走线层15在基板11内部延伸的越长，其与基板11的接触面积越大，散热效果越好。

进一步地，封装机构1还包括设置于台阶113上并且用于与电感器3连接的电感焊盘16，垂直布线层152与电感焊盘16连接并且电感焊盘16的径向面积大于垂直布线层152的径向面积。通过设置该电感焊盘16使得在加工的过程中，降低电感器3的定位的精准度，降低安装难度，提高安装效率，并且较大面积的电感焊盘16与电感器3接触，利于电感器3的热量的传导，加速散热。

进一步地，控制芯片2采用打线键合的方式或者倒扣焊的方式设置于基板11上。如图3，采用倒扣焊时，由于没有键合线18的弧高，可以减小第一安装层(凹槽112)和第二安装层(台阶113)之间的高度差，以减小整个电源系统的封装高度。

进一步地，分立器件4包括功率管、电容、电阻和二极管等。

进一步地，基板11底面包括用于连接电路板的锡球17，例如CBGA(Ceramic BallGrid Array Package球栅阵列封装)。

在另外一个实施例里，基板11底面包括用于连接电路板的基板焊盘，例如(Ceramic Land Grid Array栅格阵列封装)。

进一步地，基板11和管壳墙体12为陶瓷材质。陶瓷作为封装机构1的材料相对塑料作为封装机构1的材料，具有更高的可靠性，例如气密性和耐腐蚀性等，而且陶瓷封装具有更低的热阻，在大功率应用方面具有塑封封装无法比拟的优势，当然，基板11和管壳墙体12也可为金属材质。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电源系统，其特征在于：包括封装机构和设置于所述封装机构内部的控制芯片、电感器和分立器件，所述封装机构包括基板、分别设置于所述基板侧边的管壳墙体和设置于所述管壳墙体顶端的密封盖板，所述基板、管壳墙体和密封盖板形成用于设置所述控制芯片、电感器和分立器件的密封空间，所述电感器设置于所述控制芯片和分立器件的上方，所述密封空间内设有用于支撑所述电感器的支撑结构。

2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述基板包括基板本体、设置于所述基板本体顶部的凹槽和设置于所述基板本体顶部侧端的台阶，所述支撑结构为所述台阶，所述控制芯片和所述分立器件设置于所述凹槽内部，所述电感器设置于所述台阶上。

3.如权利要求2所述的电源系统，其特征在于：所述封装机构还包括设置于所述基板内部并且用于连接所述控制芯片、分立器件和电感器的走线层。

4.如权利要求3所述的电源系统，其特征在于：所述走线层包括与所述控制芯片和所述分立器件连接的水平布线层和与所述电感器连接的垂直布线层。

5.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于：所述封装机构还包括设置于所述台阶上并且用于与电感器连接的电感焊盘，所述垂直布线层与所述电感焊盘连接并且所述电感焊盘的径向面积大于所述垂直布线层的径向面积。

6.如权利要求1-5任一项所述的电源系统，其特征在于：所述分立器件和控制芯片采用打线键合的方式或者倒扣焊的方式设置于所述基板上。

7.如权利要求1-5任一项所述的电源系统，其特征在于：所述分立器件包括功率管、电容、电阻和二极管。

8.如权利要求1-5任一项所述的电源系统，其特征在于：所述基板底面包括用于连接电路板的锡球。

9.如权利要求1-5任一项所述的电源系统，其特征在于：所述基板底面包括用于连接电路板的基板焊盘。

10.如权利要求1-5任一项所述的电源系统，其特征在于：所述基板和管壳墙体为陶瓷材质。