電源作為所有電子產(chǎn)品的必要模塊,對其的設(shè)計(jì)要求也日漸拔高。為了解決開關(guān)電源中磁性元件占據(jù)大部分體積的問題,各類新型材料和封裝技術(shù)層出不窮。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic Technology,LTCC）作為一種新型的材料技術(shù),不僅具有良好的溫度特性和高頻特性、良好的散熱性而且還有損耗低、體積小、高度低、集成靈活等優(yōu)點(diǎn),因此在磁性器件設(shè)計(jì)中被廣泛地應(yīng)用于削減高度。本文以LTCC和多種三維電感結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了四款新型小型化低溫共燒陶瓷DC/DC變換器。進(jìn)一步驗(yàn)證了LTCC集成技術(shù)在微型電源裝置設(shè)計(jì)中的可行性。本文首先基于LTCC工藝流程完成了基板摸底實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證了用于變換器設(shè)計(jì)的LTCC鐵氧體基板材料的可靠性。隨后從DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、DC/DC變換器的調(diào)制模式和DC/DC變換器的工作模式三個方面構(gòu)建了DC/DC變換器,并列出了衡量變換器性能的主要參數(shù)。緊接著本論文利用兩種非隔離型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三款降壓型DC/DC變換器和一款升壓型變換器。經(jīng)不斷測試評估,實(shí)現(xiàn)了四款變換器的主控芯片微型化,較近年相關(guān)變換器中的芯片占位,節(jié)約... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

內(nèi)埋置無源器件的LTCC模型

第二章低溫共燒陶瓷及變換器的理論基礎(chǔ)92.2.3LTCC基板材料選擇與摸底實(shí)驗(yàn)通常在LTCC微波毫米波電路的設(shè)計(jì)中，為了保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往要對基板磁性材料進(jìn)行摸底實(shí)驗(yàn)�；宀牧厦讓�(shí)驗(yàn)，即跟蹤完成除印刷導(dǎo)體電路外的一整套加工流程并評估材料的機(jī)械性能和電氣性能是否符合設(shè)計(jì)要求。因此為了保證設(shè)計(jì)的完整性，基板磁性材料摸底實(shí)驗(yàn)是十分有必要的。用于LTCC基板設(shè)計(jì)的軟磁鐵氧體材料有MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、LiZn鐵氧體三種。由于MnZn鐵氧體和LiZn鐵氧體的電阻率均低于NiZn鐵氧體，因此在開關(guān)變換器常見的工作頻率MHz級別下?lián)p耗較高，并不適合用于變換器設(shè)計(jì)。本課題選用本課題組自制的NiCuZn鐵氧體粉末，加入Cu元素能有效地降低燒結(jié)溫度，由此更加符合LTCC的技術(shù)要求。當(dāng)鐵氧體磁介質(zhì)基板體積恒定時，繞組電感耐電流能力隨鐵氧體材料磁導(dǎo)率的升高而下降。而小功率變換器中一般都會有大電流通過，因此對電感的耐電流能力有一定的要求。本課題選擇了初始磁導(dǎo)率相對較低的鐵氧體粉末。但是也不能盲目的追求低磁導(dǎo)率的磁料粉末，因?yàn)榈痛艑?dǎo)率將會進(jìn)一步減少繞組電感值。這樣就需要在保證電感平面尺寸不變的情況下，增加電感繞組的層數(shù)這樣會使電感的等效串聯(lián)電阻DCR值增大，電感的直流損耗增加的同時變換器效率卻降低了。NiO、Fe2O3、ZnO和CuO粉末經(jīng)一次球磨后，在空氣中煅燒，煅燒溫度為800℃。隨后將作為助燒劑的Bi2O3加入并再次球磨烘干，以此得到了用于變換器設(shè)計(jì)的基板材料。測試磁環(huán)如圖2-3所示：圖2-3基板測試磁環(huán)由前期相關(guān)研究成果已知，鐵氧體的磁導(dǎo)率與密度和晶粒成正比。鐵氧體樣品的SEM圖如圖2-4所示。根據(jù)阿基米德排水法可知磁環(huán)的密度為5.14g/cm3，驗(yàn)證了材料的致密性符合LTCC基板材料要求。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖2-4鐵氧體基板的SEM圖由于絕大多數(shù)的變換器工作頻率不超過10MHz，因此在0.5MHz-30MHz的頻率范圍內(nèi)掃描得到了磁譜曲線如圖2-5所示：51015202530020406080100120permeabilityFrequency(MHz)μ圖2-5鐵氧體基板的磁譜曲線圖本課題實(shí)現(xiàn)的四款變換器工作頻率范圍為1.5MHz-4MHz，由鐵氧體基板的磁譜曲線可知，在此頻率范圍內(nèi)，曲線走勢平穩(wěn)。初始磁導(dǎo)率為70，符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定。由于變換器中有大電流流過，因此鐵氧體基板材料必須具有良好的偏置能力。如圖2-6所示，隨著直流偏置疊加磁場增加，增量磁導(dǎo)率會呈下降趨勢。已有前期研究表明，初始磁導(dǎo)率越高，增量磁導(dǎo)率下降的速率越快。因此選擇高磁導(dǎo)率初始值基板材料雖能提升電感值，但也有致命缺陷為磁基板也更易飽和。圖2-6已表明本課題實(shí)現(xiàn)的NiCuZn鐵氧體地增量磁導(dǎo)率下降速率較緩，這是因?yàn)椴牧系母叱C頑力Hc能產(chǎn)生一定的退磁場以此抵消一部分外磁場的影響。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]基于LTCC技術(shù)的DC/DC開關(guān)電源模塊小型化的研究[D]. 王嵩.電子科技大學(xué) 2013
[2]高頻磁性元器件損耗分析及電感溫升電流測量裝置的研究[D]. 劉國偉.福州大學(xué) 2011
[3]開關(guān)電源技術(shù)[D]. 岑遠(yuǎn)軍.電子科技大學(xué) 2009



本文編號：3132210