基于LTCC技术的DC/DC开关电源模块小型化的研究

摘要

开关电源作为电子系统的能量来源，已广泛应用于民用、军事等各个领域中。当今，随着电子技术的发展和市场的需求，开关电源不断地向着小型化、高频化、模块化方向发展。而作为开关电源的重要组成部分电感器和变压器等磁性元件，由于其大体积的缺点严重限制了电源模块小型化进程，所以对磁性元件的集成化研究势在必行。本论文就以当今先进的无源集成技术低温共烧陶瓷工艺（ Low Temperature Co-fired Ceramic）作为技术手段，对内埋变压器的磁介质基板进行磁集成一体化设计，完成对DC/DC开关电源模块小型化的研究。
　　为了达到小型化DC/DC开关电源模块的目的，本论文首先以开关电源电路中经典的反激拓扑结构为例，设计了一款开关频率为1MHz，输出功率为5W的DC/DC小功率开关电源，完成了其PCB电路调试板的制作，给出不同负载条件下的测试结果，同时探讨并提出了电源小型化的可行性方案。然后针对LTCC工艺特点，以变压器的耦合系数和漏感大小为研究重点，对磁集成内埋式变压器结构性能参数进行仿真优化设计，并提出了一种新型的内埋式变压器的磁集成介质基板结构，使其耦合系数k达到了0.93。同时对负载电流、绕组线圈电感值与磁芯饱和三者之间的关系在LTCC工艺设计中进行了深入探讨，并进行合理的折中选择，使LTCC小型化DC/DC开关电源模块性能达到较好效果，完成相关设计指标要求。
　　依照电源电路布线规则与内埋变压器参数的设计结果，按照LTCC加工流程制作了内埋变压器的LTCC磁介质基板，并利用回流焊技术实现顶层电路与磁介质基板的一体化封装，形成开关电源模块实物并测试了相关数据，证明了LTCC小型化DC/DC开关电源方案的可行性。最后对全文进行总结，指出本论文研究的不足之处及为下一步的工作提出了建议。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.3 选题依据与研究内容

1.3.1 选题依据

1.3.2 研究内容与论文结构

第二章 小型化DC/DC开关电源模块架构设计原理

2.1 开关电源基本原理及拓扑结构

2.1.1 开关电源基本原理

2.1.2 小型化方案拓扑结构选型分析

2.2 DC/DC反激拓扑结构的工作原理与控制方式

2.2.1 DC/DC反激拓扑结构的工作原理

2.2.2 DC/DC开关电源控制方式的分类与分析

2.2.3 DC/DC反激拓扑结构电流工作模式分析

2.3 变压器基本原理与相关参数分析

2.3.1 实际变压器等效模型与分析

2.3.2 变压器的耦合系数与漏感分析

2.4 本章小结

第三章 DC/DC反激开关电源电路设计与实现

3.1 DC/DC反激型开关电源电路设计

3.1.1 技术指标

3.1.2 电源控制芯片的选取

3.1.3 高频变压器设计

3.1.4 缓冲电路设计

3.1.5 芯片其它外围电路设计

3.2 DC/DC反激开关电源的开环仿真

3.3 DC/DC反激开关电源PCB版的制作与测试

3.3.1 电源的制作

3.3.2 电源的测试

3.4 本章小结

第四章 LTCC内埋变压器磁介质基板一体化设计与实现

4.1 LTCC磁介质基板一体化设计思路

4.1.1 LTCC磁基板设计思路与设计细节

4.1.2 LTCC磁基板材料选取与参数测试

4.2 LTCC内埋变压器的设计与仿真

4.2.1 LTCC内埋变压器绕组线圈参数提取

4.2.2 LTCC内埋变压器绕组线圈DCR分析

4.2.3 LTCC内埋变压器绕组结构选择

4.2.4 LTCC磁介质基板腔体结构设计

4.2.5 LTCC内埋变压器的仿真与分析

4.3 LTCC内埋变压器绕组线圈饱和度仿真与分析

4.3.1 铁氧体磁芯材质特性及饱和曲线特性分析

4.3.2 负载电流大小与变压器磁芯饱和情况分析

4.3.3 负载电流大小与变压器绕组线圈电感量关系分析

4.4 LTCC磁介质基板表面电路与内部通孔设计

4.4.1 LTCC磁介质基板表面电路设计

4.4.2 LTCC磁介质基板内部通孔设计

4.5 LTCC小型化DC/DC开关电源模块的制作与测试

4.5.1 LTCC小型化DC/DC开关电源模块的制作

4.5.2 LTCC小型化DC/DC开关电源模块的测试

4.6 本章小结

第五章 总 结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果