基于SiP技術的限流保護器設計

李鑫彪，張 可

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

SiP（System in a Package）技術是將多個具有不同功能的電子元件集成在一個封裝內作為實現一定功能的單個標準封裝件，從而形成一個系統或者子系統。隨著電子整機產品體積不斷縮小以及封裝技術的發展，SiP技術已經廣泛應用在各個領域。限流保護器模塊是在系統中檢測和限制短路電流，實現保護電路的裝置。使用時位于電源與系統負載之間，當負載電流大于設定的閾值時，限流保護器模塊迅速關斷電源與系統負載之間的連接通路，避免大電流造成系統負載的損壞，從而實現對負載的限流保護功能。此模塊主要應用于保護ASICs，FPGAs等對單粒子鎖定效應敏感的電子器件[1-2]。

2 功能概述

本設計模塊由微電路芯片及分立元器件組成。為實現限流保護的功能，模塊內部包含有穩壓器、比較器、基準產生電路、狀態處理電路及電荷泵等電路。該限流保護器模塊具有低電流閾值（待機電流）和高電流閾值（運行電流）兩種限流閾值，且兩種電流閾值可通過外接電阻設置。模塊邏輯功能框圖如圖1所示。

其中，VAUX為輔助電源，用于為模塊內部的各芯片提供工作電壓。VIN為限流保護的外接輸入電源，VOUT為模塊輸出。當VIN電源的輸入電流小于限流閾值時，VOUT≈VIN；當VIN電源的輸入電流大于限流閾值時，內部功率開關管斷開，VOUT≈0。RUN/STB為限流閾值選擇端，當RUN/STB為高電平時，模塊選擇高電流閾值（運行電流）；當RUN/STB為低電平時，模塊選擇低電流閾值（待機電流）。ON/OFF為模塊的控制端，當ON/OFF為高電平時，模塊正常工作，具有限流保護的功能；當ON/OFF為低電平時，模塊不工作，VOUT≈0。PROT_STATUS為模塊過流標志端，當VIN電源的輸入電流大于限流閾值時，PROT_STATUS為高電平；否則為低電平。LIM_RUN為高電流閾值設定端，LIM_STB為低電流閾值設定端，具體連接方法見圖1所示。ADJ_RESTART為自動重連功能端，若該端接地，當出現過流時，VIN與VOUT斷開不進行重新連接；若ADJ_RESTART端通過電容接地，當出現過流時，VIN與VOUT斷開后進行重新連接，若重連后仍然過流，則再次斷開繼續重連，直至過流消失，VIN與VOUT連接。

圖1 模塊邏輯功能框圖

3 原理、板圖設計及SiP技術流程

3.1 模塊電路的基本原理設計

本設計的限流保護器是通過對電源端的電流信號進行采樣，并將電流信號轉換成電壓信號，轉換后的電壓信號大小與設定的參考電壓值進行比較。當轉換后的電壓信號值大于參考電壓時，這種情況下，限流保護器流過的電流達到限定的電流值，此時，通過后續動作，切斷限流保護器中的開關管，電源與負載開路，從而起到保護作用。當轉換后的電壓信號值小于參考電壓時，這種情況下，限流保護器流過的電流未達到限定的電流值，限流保護器不會有任何動作，電源持續給負載提供電流。

通過外配電阻可改變參考電壓的值，從而可用于設定不同的限流大小。基本原理如圖2所示。

3.2 模塊電路的板圖設計

該模塊采用分層堆疊式立體封裝結構，各層的基板采用FR4材質PCB，元器件直接焊接在PCB上。各疊層間互連信號通過模塊側面的金屬鍍層實現電氣連接[3]。

圖2 限流保護器的基本原理

該模塊電路中包含62只元器件，要封裝在15×15×12mm3大小的模塊中，空間有限。模塊采用3層PCB構成，每層PCB尺寸設計要小于模塊封裝尺寸（15mm×15mm），為了提高集成度，節省空間，因而PCB布線采用4層走線。從下至上，第一層為引腳及開關層；第二層為電流檢測與模塊使能層、第三層為狀態處理及信號控制層。

1)模塊疊層板第一層（底板層）

大功率器件（MOSFET）放置在模塊的最底層，在模塊灌封時使它緊靠在模塊的底部，便于散熱。同時，模塊底板層用來實現模塊與外部引腳的連接。在PCB(0.6mm厚)板上控制好電源與地線的走線寬度。

2)模塊疊層板第二層

模塊疊層板第二層由0.6mm的PCB、比較器、電阻網絡、電壓基準、穩壓電源及使能控制等構成。

3)模塊疊層板第三層

模塊疊層板第三層由0.6mm的PCB、邏輯控制、電荷泵、狀態處理等單元構成。

設計過程中，為了減小電壓壓降，降低耦合噪聲，盡量加粗電源線和地線；為了減少高頻噪聲的發射，進行合理布局，避免90度折線；同時利用電路板的內電層，有效屏蔽輻射干擾和抑制電路本身的電磁輻射。布線時，電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。避免90度折線，減少高頻噪聲發射。利用電路板的內電層，屏蔽輻射干擾和抑制電路本身的電磁輻射等[4]。

3.3 模塊電路的SiP技術流程

三層之間的信號通過側面的金屬鍍層和激光蝕刻槽來實現互連。SiP工藝步驟主要包括：堆疊、灌封、切割、表面金屬化(鍍層厚度為 10～20μm)、激光雕刻、引腳成型等[5-6]。具體工藝流程如圖3所示。

圖3 模塊封裝工藝流程圖

其中，堆疊是通過物理方法控制模塊三層疊片板之間的距離，確保三層疊片板之間的電氣安全以及模塊的整體高度。封是將堆疊好的疊片板放在灌封模具中，將灌封材料注入模具中形成模塊的基本形狀。該工藝需要對灌封材料進行評估試驗，包括灌封材料的粘度、熱膨脹系數等性能指標。要確保灌封后的模塊在相應的環境試驗中不會出現分層和裂紋等現象。切割是對灌封后的模塊進行整體切割，確保模塊的整體尺寸，及外表面的整齊與光滑性。表面金屬化是通過在表明噴涂金屬漆，使各層以及引腳之間進行電氣連接。激光雕刻是通過激光，將模塊表面的金屬化漆進行切割，確保正確的電氣連接。

4 結束語

本設計限流保護器模塊是基于SiP技術進行設計，能夠完成保護ASICs或FPGAs等對單粒子鎖定效應敏感的電子器件的任務。設計過程中對電路的功能、性能、參數指標等要求，均采用余量設計，保證模塊能夠滿足設計需要。通過抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑、提高敏感器件的抗干擾性能等設計手段確保電路的可靠性。再通過搭建電路驗證板進行測試來驗證電路的各項參數性能，確保模塊能夠實現預期功能，滿足設計要求。本設計限流保護器模塊經過設計驗證后，進行了生產加工并形成了產品，在實際應用中，能夠實現既定功能，對系統進行保護。本設計的完成及成功應用，對SiP技術在微系統集成應用上具有實踐意義[7-8]。