单芯片DC-DC集成开关电源现状及其发展Abstract

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集1单芯片DC-DC集成开关电源现状及其发展林维明1林慧聪1陈学清21)福州大学电气工程与自动化学院,2)福建省微电子集成电路重点实验室摘要本文指出单芯片集成开关电源在数码相机、手机等便携式和手持式电子设备的工程应用与价值背景，介绍了当今国际上商业产品的发展现状,本文综述了该领域主要面临的技术问题，阐述了发展方向和可能的方案。关键词开关电源集成电路系统电感AbstractTheportableelectronicdevices(PED)suchasdigitalcameras,mobilephones,etchavegainedimmensepopularity.Ahighpowerdensityandlowpowerdc-dcconverterinanovelPowerSupply-on-Chip(PSOC)becomesmoreandmoreimportant.Thestate-of-art,mainnovelfeaturesofthisconverterarediscussedinthispaper.KeyWords:PowersuppliesIntegratedCircuitChipInductor1.概述近年来，诸如数码相机、手机、个人数字助手等便携式和手持式的电子设备有了显著的增长。体积小、厚度薄、重量轻和工作时间长越来越成为这类产品成本的要求。上述设备一般都需要电池作为供电系统而工作。然而，通常上述设备都需要不同电平的直流电压为内部的各个部分电子电路供电，因此高转换效率的小功率DC/DC开关变换器就有了很大的需求。目前，许多此类的开关变换器都由控制IC、功率开关管和驱动电路以及一些无源器件(R,L,C)制做在印刷电路板上。因此，消除分立的无源器件，尤其是电感(可以减少截面高度1-2毫米)，进一步将功率开关变换器微型化或集成化，是便携式和手持式的电子设备市场发展的需要，也是电力电子研究人员需要研究和解决的重要课题.研究发展新型集成电路开关电源是当今国际工业界所关注一个重要的研究新领域。小功率DC/DC开关功率变换器集成电路就是将分立的无源器件、控制电路、功率开关和驱动电路等，应用集成电路技术，将他们集成在一个硅芯片上。这种集成电路开关变换器各类组成部分由于集成在一个芯片中，因此具有高的功率密度、小尺寸、低截面和无需分立无源器件。该课题的研究成功将给全球的便携式和手持式的电子设备市场带来革命性的产品。2.基本电路方案目前,诸如数码照相机、MP3和手机等便携式电子产品得到了大量的应用。这类电子产品中有关重量、尺寸、工效和电池寿命等关键因素在于供电系统。便携式供电系统通常由一个或多个源(可充电电池、AC/DC适配器)，一个或多个功率变换器(线性或开关式)和一个或多个需要不同供电电平的直流电压负载(处理器、专用芯片、模拟电路、RF前端、显示背景灯、显示屏幕)等组成。因此在所有的手持式电子产品中，供电系统的功率转换是很重要的部分。高频开关式功率变换器具有高的转换效率。高的转换效率对于给定的电池能量将延长其工作寿命(提高用户的满意度与产品性能价格比)。DC/DCBUCK开关变换器具有电路简单、高效率和优良输出电压调节控制性能等特点。而同步整流BUCK开关变换器具有低的导通损耗而广泛地应用在低压大电流输出的产品中，很适合在上述微处理器、数码照相机、MP3和手机等便携式电子产品中应用。传统的开关功率变换器电路由无源储能器件(输入电容、输出电容和电感)、有源功率开关、以及变换器控制和开关驱动电路组成。变换器控制电路本身通常由一个集成的控制芯片加上一些外部的无源元件(电阻、电容)组成。对于一个输出功率为1瓦的典型开关功率变换器，如果使用分立元件实现，至少需要5到25个分立元件。通常，尤其是小功率输出的变换器，如此多的分立元件是很不理想的。其结果导致功率密度的减少(单位体积输出功率)、可靠性降低并增加制造的成本和材料的损耗。提高功率密度，进一步小型化，特别是减少截面尺寸，是大多数这类电子产品技术发展的关键。因此，消除分立元件，尤其是电感(可以减少1到2毫米的截面高度)是课题研究的主要目标。LCoScSfCinSource(e.g.NiMHbattery,mainswalladapter)Load(e.g.CPU,ASIC)ConverterControlandDriveProposedPSOCFig.1ThecircuitschemeofPSOC图1新型集成电路开关电源的基本电路方案负载电源中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集23.国际商业产品由于诸如数字照相机、MP3和手机等便携式电子产品的市场前景广阔，许多国内外著名大学和国际大公司积极研究开发高性能价格比的集成电路开关电源产品。就目前发展的现状可以总结有如下几种情况:（1）图2为美国VISHAY公司最新研究开发的一种高频小功率开关变换器FX5545G305ADJ，其代表了目前市场具有最高功率密度的产品之一。图2中,几个标准元件安置在多层PCB板上，封装在一个价廉的塑料盒里。模块采用新型BGA球焊阵列式封装技术，具有引脚短、失效率低和信号传输完整等特点。模块的尺寸是6.35x4.3x1.3mm,但是提供的产品相关数据非常有限[1]。VISHAY产品存在几个重要的缺陷：太多分立元件以及使用多层板将大大增加产品成本。FX5545G305ADJ是目前功率密度最高的产品之一，但从图2可以看出，开关功率变换器中最大的元件是电感。(2)美国国际整流公司(IR)研究开发的一种同步整流BUCK集成电路开关电源，其主要应用在较大功率。同样，其电感是分立元件，尺寸较大，限制了微型化目标。同时其开关频率较低,只有200到300千赫。(3)美国德州仪器TI公司于2004年7月推出的TPS623XX系列集成电路开关电源[图4]，其开关频率可以高达3兆赫，效率可以高达93%，电路结构是同步整流BUCK开关功率变换器。但是这个集成电路开关电源的最大缺欠是，开关变换器的电感是分立元件，这很大程度上限制了微型化的目标。[4]英国微电子公司（ST）开发的L6925D[5]日本半导体公司(RENESAS)开发的R2J20601NP，它们的电路结构是同步整流BUCK电路。但是这二种集成电路开关电源，电感都是分立元件，尺寸较大，同时它们最大的开关频率都小于1兆赫。综合目前已有商业产品,存在主要几个问题:1、电感为分立元件；2、开关频率较低（3MHZ以下）；3、功率管大多为垂直型；4.主要技术问题研究开发高性能的集成电路开关电源是便携式电子产品市场的需求，是目前电力电子研究人员一个积极开展并具有特别重要意义的研究课题。但正如本文第三部分叙述，真正意义的高性能微型化的集成电路开关电源产品还没有出现。众所周知，无源器件，尤其是电感，限制了DC/DC开关功率变换器的微型化(见图2的电感尺寸)的实现。为了获得上述高性能价格比的集成电路开关电源，一些关键的新技术需要进一步研究和发展，来解决实现高性能价格比集成电路开关电源所遇到的问题。综合目前该领域的研究现状，这些主要的关键技术问题可以归纳如下:研究发展一种低耗薄膜芯片高频(兆赫芝)磁元件技术。薄膜电感技术应该与集成电路技术结合，发展新型低损耗、集成芯片和薄膜磁元件；Fig.2VishayIntegratedDC/DCconverter图2美国VISHAY公司产品FX5545G305ADJ图4美国德州仪器TI公司产品TPS62300图5英国微电子公司（ST）产品L6925D图6日本半导体公司(RENESAS)产品R2J20601NP图3美国国际整流公司(IR)产品IP1001中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集3研究一种具有高效率的高频降压式同步整流功率变换器，其频率在5兆赫以上，集成电路包含控制和驱动电路，采用合理的组合结构以构成所需的功率等级；应用新型的MOSFET技术，研究发展灵巧的高频功率MOS开关；同时研究新型高效率的功率MOSFET驱动电路;选择设计优化的高频(兆赫)功率开关技术，比如水平型的DMOS,尤其关注高端的功率开关(进行PMOS与NMOS优化)，优化版图设计的MOSFET的分布参数;选择合适的功率专用集成电路制作技术。主要权衡制造商提供的工艺库元件与构筑集成电路芯片半导体器件的设计水平；实现将薄膜电感与功率专用集成芯片封装在一个或两个芯片上的表面安装封装技术。而两芯片方案在初始阶段是最有可能的方法。这方面要考虑薄膜电感与功率专用集成芯片之间热吸收、封装工艺和EMI问题；上述技术的研究将为有源专用集成芯片与高频薄膜磁元件的结合提供一个平台。而这项技术可以应用在许多领域。除了功率变换，包括通讯领域滤波与混合、数字信号与微变压器的隔离和灵巧的磁场传感器。上述新技术的开发，将给国内相关高新技术企业提供机遇。这类企业将瞄准功率变换领先水平的集成芯片设计、开发和制作工艺，应用新型高频薄膜磁元件技术、专用功率芯片技术和新型单衬底芯片和多衬底芯片安装技术来开发新概念的集成电路开关电源产品。5、未来产品的方向未来真正集成电路开关电源可能方案如图7(a)和(b)所示。图7(a)示意了全集成的概念，即磁元件直接集成在含有有源器件的硅芯片上形成单一的集成电路芯片。这种技术需要磁元件是CMOS芯片的后处理工艺，例如功率专用芯片在CMOS工艺完成后再送到MEMS工艺进行磁元件处理。而图7(b)的方法似乎短期内更容易实现。这种方法中，功率专用集成电路和高频薄膜磁元件分别制作在不同的芯片上，最后将它们组装在一个芯片组里。薄膜磁元件可以在功率集成电路芯片上，也可以在它的下面。组装技术可以如图所示采用反面芯片对接的封装技术。对于分别研究开发专用功率变换集成电路芯片和薄膜磁元件技术，图7(b)的方法似乎具有更大的可能性。MagneticmaterialHighaspectratiocoppercoilsSiliconwithactivedevicesSiliconwithactivedevicesFlipChipbumpsSiliconsubstratewithMagneticsMetalinterconnectMagneticcomponent6.结束语研究将开关电源系统集成在一个硅芯片上，是当前电力电子研究人员一个具有特别重要的意义的研究领域。根据目前研究与产品现状,开关频率、功率密度、转换效率与高频薄膜磁元件都存在技术问题，高频薄膜磁元件技术是发展上述问题的一项关键技术。而研究开发新的高性能价格比功率变换集成电路芯片,包括新型功率MOSFET开关、驱动电路、控制策略以及功率组装模式都有许多工作,都期待新技术的研究发展来实现上述目标。参考文献:[1]Vishay,“IndustrySmallestandLowProfile3W1000mADC/DCBuckConverterwithHighOutputDensityPower”,DatasheetFX5545G201,[2]T.Sato,K.Yamasawa,H.Tomita,T.Inoue,T.Mizoguchi,“PlanarPowerInductorusingFeCoBNMagneticFilmwithHighSaturationMagnetizationandHighElectricalResistivity”,Proc.IPEC2000,Tokyo,Japan.[3]T.Sato,M.Hasega,T.Mizoguchi,M.Sahashi,“PlanarInductorforverysmallDC-DCConverters”,IEICETrans.Commun.,vol.E75-B,no.11,Nov.1992.[4]C.H.Ahn,M.G.Allen,“MicromachinedPlanarInductorsonSiliconWafersforMEMSApplications”,IEEETrans.IndustrialEl