楊三成，何 妮，李 萌，賈 琳，張 敏，彭 侃

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司微電路事業(yè)部，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著DC/DC變換器的發(fā)展及市場供需的緊迫形勢，近年對國產(chǎn)化DC/DC變換器的需求量逐漸增多，對采用厚膜集成工藝制造的效率高、可靠性高的DC/DC變換器的需求量更為明顯。針對這種市場情況，公司根據(jù)用戶需求獨(dú)立自主研發(fā)立項(xiàng)了一款50 W國產(chǎn)化DC/DC變換器電源模塊，以打破這一局面，保障市場供應(yīng)[1]。

1 研制目標(biāo)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸入電壓范圍為16 ～40 V；（2）輸出電壓范圍為4.9 ～5.1 V；（3）輸出最大電流為10 A；（4）輸出最大功率為50 W；（5）輸入端/輸出端隔離（6）效率大于86%。

1.2 推薦使用要求

絕對最大額定值如下：輸入電壓范圍為16 ～40 V；引線耐焊接溫度為≤300 ℃；貯存溫度范圍為-65～+150 ℃。

推薦工作條件如下：輸入電壓范圍為16 ～40 V；外殼工作溫度范圍為-55～+125 ℃。

1.3 外形尺寸

產(chǎn)品的外形（外殼）尺寸為53.08 mm×28.58 mm×10.16 mm3。

選用雙列直插平行縫焊結(jié)構(gòu)，外殼型號為UPP5328-10Ka，陶瓷絕緣子和無氧銅引線。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

產(chǎn)品要求將16～40 V的直流輸入電壓轉(zhuǎn)化為具有穩(wěn)定的5 V/10 A直流輸出能力，電路設(shè)計(jì)有輸入端欠壓保護(hù)、輸出端短路保護(hù)，故障解除后，可以恢復(fù)正常。

結(jié)合用戶要求特點(diǎn)，本產(chǎn)品的線路設(shè)計(jì)采用了同步整流有源鉗位正激DC/DC的電路結(jié)構(gòu)，線路本著簡潔可靠、高效率轉(zhuǎn)換的原則，在完全滿足項(xiàng)目要求的所有指標(biāo)的情況下，可靠性高、抗振能力強(qiáng)、足額的降額考慮和優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)思路貫穿整體電路設(shè)計(jì)過程，保證了軍品高可靠性的要求[2]。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品采用裸芯片工藝進(jìn)行組裝，陶瓷基片散熱，10腳金屬封裝外殼。在工藝方面采用厚膜電路的成膜工藝和厚膜電路的裝配工藝。厚膜混合集成電路成膜工藝包括制版、印刷、燒結(jié)、調(diào)阻4道工序，基于產(chǎn)品的小體積、導(dǎo)體印刷時線條過于密，個別導(dǎo)帶較細(xì)、間距窄，成膜印刷時加大了難度，為了有效防止在導(dǎo)體印刷時出現(xiàn)不同印刷層之間的錯位現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了3個用來印刷時定位的點(diǎn)，減小了用肉眼檢查各導(dǎo)體之間相對距離造成的差異，確保了印刷導(dǎo)體時精準(zhǔn)的位置和不同層之間導(dǎo)體印刷良好的銜接，縮小了誤差。

軍用厚膜電路的裝配工藝包括焊接、黏接、鍵合、封裝、篩選等工序。各工序互相配合，成熟的工藝水平保證了產(chǎn)品質(zhì)量水平及可靠性，具有一定的批生產(chǎn)能力和科研攻關(guān)能力，平行縫焊封裝，印刷電路導(dǎo)體的基片選用導(dǎo)熱性能良好的96%Al2O3陶瓷基片。產(chǎn)品中的集成電路、MOS開關(guān)管、三極管、二極管均采用國產(chǎn)裸芯片[3]。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶對產(chǎn)品的密封要求，特選取了平行縫焊雙列直插金屬外殼結(jié)構(gòu)。根據(jù)外形、重量輕、工作溫度等條件，結(jié)合國產(chǎn)穩(wěn)定的配套和軍工系統(tǒng)內(nèi)已有的結(jié)構(gòu)，選取標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)外殼，型號為UPP5328-10Ka，采用陶瓷絕緣子和無氧銅引線，確保產(chǎn)品的功率要求。外殼具有抗鹽霧、耐濕特性，確保用戶使用環(huán)境的要求。

2.4 電路的原理方面設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品輸入電壓范圍為16 ～40 V，單路輸出，電壓為5 V，電流為10 A，用戶要求產(chǎn)品具有低紋波、高效率、高可靠等特點(diǎn)，輸入端要具有欠壓保護(hù)、輸出有短路保護(hù)功能，故障消除后，輸出電壓可以自動恢復(fù)正常。結(jié)合本次設(shè)計(jì)低電壓大電流的特點(diǎn)，采用同步整流式有源鉗位正激DC/DC的電路結(jié)構(gòu)作為主回路。

產(chǎn)品由輸入端濾波網(wǎng)絡(luò)電路、功率轉(zhuǎn)換電路、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Malulation，PWM）控制電路、取樣和反饋穩(wěn)壓電路、輔助電源供電電路和保護(hù)電路等組成。電路原理圖見圖1。

圖1 電路原理圖

有源嵌位技術(shù)與同步整流技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于PWM開關(guān)電源中取得了完美的增強(qiáng)效應(yīng)，這是因?yàn)橛性淬Q位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電壓開通，大大減小了開關(guān)損耗和開關(guān)管電壓應(yīng)力，減少了選管困難；而同步整流極大地減少了整流管導(dǎo)通損耗。此技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了變壓器雙向勵磁，減小了變壓器體積，減少了銅損，從而使變換器獲得了高效率。同步整流有源鉗位技術(shù)的發(fā)展促使低壓大電流輸出DC/DC變換器向著高效、節(jié)能、小型化的方向不斷發(fā)展[4]。

輸入濾波電路是為了抑制輸入電源的電磁噪聲和不相干的雜波信號，避免對電源造成干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對系統(tǒng)的干擾。本次設(shè)計(jì)采用最簡單的電容濾波電路。

功率轉(zhuǎn)換電路由開關(guān)轉(zhuǎn)換及高頻式變壓器組成，通過變換電路將輸入端的能量傳輸?shù)捷敵龆?，?shí)現(xiàn)電壓變換和輸出電壓調(diào)整的目的。在本設(shè)計(jì)中采用的是同步整流有源鉗位正激式DC/DC變換器電路以及平面變壓器結(jié)構(gòu)。

整流濾波網(wǎng)絡(luò)可以有效地抑制輸出端電壓紋波的減小，以減小DC/DC變換器對負(fù)載的影響。本次設(shè)計(jì)采用電壓自驅(qū)動同步整流方式，以盡量減小整流損耗。本次輸出端濾波采用電容電感（LC）濾波電路。

反饋穩(wěn)壓電路是為了及時檢測開關(guān)電源輸出電壓的變化，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并將誤差信號經(jīng)光耦線性反饋至控制電路，通過控制電路予以調(diào)整，使電源工作在安全狀態(tài)[5]。

產(chǎn)品保護(hù)電路包含輸入端電壓的欠壓保護(hù)，輸出端的短路保護(hù)、電路中熱保護(hù)。輸出短路采用關(guān)斷保護(hù)方法，確保了短路狀況模塊的安全性；熱保護(hù)由主芯片內(nèi)設(shè)，典型值為165 ℃。

PWM控制器，即利用定頻調(diào)寬實(shí)現(xiàn)開關(guān)變換控制，達(dá)到電壓變換的目的。本電路設(shè)計(jì)采用LM5025A電壓模式PWM控制器，具備提供完成有源嵌位變換所需要的主副開關(guān)信號，自備內(nèi)部供電電路，簡化了外圍設(shè)計(jì)，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵問題的解決

2.5.1 線路問題

結(jié)合用戶要求及產(chǎn)品特點(diǎn)，選擇有源嵌位技術(shù)與同步整流技術(shù)結(jié)合的模式電路。

有源嵌位技術(shù)與同步整流技術(shù)完美結(jié)合，應(yīng)用于PWM開關(guān)電源中取得了完美的增強(qiáng)效應(yīng)，這是因?yàn)橛性淬Q位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電壓開通，大大減小了開關(guān)損耗和開關(guān)管電壓應(yīng)力，減少了選管困難；而同步整流極大地減少了整流管導(dǎo)通損耗。此技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了變壓器雙向勵磁，減小了變壓器體積，減少了銅損，從而使變換器獲得了88%以上的高效率。同步整流有源鉗位技術(shù)的發(fā)展促使低壓大電流輸出DC/DC變換器向著高效、節(jié)能、小型化的方向不斷發(fā)展。

結(jié)合本次設(shè)計(jì)低電壓大電流的特點(diǎn)，選用同步整流有源鉗位式正激DC/DC的拓?fù)潆娐沸问阶鳛橹骰芈方Y(jié)構(gòu)。

2.5.2 輸出紋波與功率線問題

電源在工作時其本身就是一個噪聲發(fā)生源，常用的降低紋波的方法是輸出端加電容或電感進(jìn)行濾波、平面布圖時強(qiáng)信號與弱信號的地線分開走線、集中在一起接地等，每種產(chǎn)品都有適合的降紋波方法，結(jié)合該產(chǎn)品的線路特點(diǎn)和多次摸索及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)輸出的功率地線走向?qū)敵黾y波的影響尤為重要，總體來說就是輸出功率地線距離變壓器及電感盡量遠(yuǎn)，距離輸出引腳盡量近，經(jīng)濾波電容后再連接至輸出引腳，這樣可以有效降低輸出紋波。這種情況是根據(jù)該產(chǎn)品的布圖特點(diǎn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

輸出功率地線在條件允許的情況下盡量增加寬度，結(jié)合該產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及平面布圖的實(shí)際情況，留給輸出功率地線的平面寬度比較小，綜合各種因素，采用厚膜導(dǎo)體套印的方法，在導(dǎo)體無法增加平面寬度的情況下，通過二次套印導(dǎo)體增加了導(dǎo)帶厚度，使功率地線達(dá)到要求。導(dǎo)體套印技術(shù)屬于成熟工藝，確保了套印的可靠性。

2.5.3 熱設(shè)計(jì)、可靠性問題

該產(chǎn)品屬于單路輸出50 W電源，要使熱量能均勻散發(fā)出去，不出現(xiàn)局部過熱的問題，合理的熱設(shè)計(jì)是其主要工作，同時提高產(chǎn)品的可靠性也是其主要工作。

考慮到功率密度的要求，將產(chǎn)品的主要發(fā)熱器件變壓器和電感牢靠的直接黏接在外殼底座上，利用外殼材料良好的導(dǎo)熱性進(jìn)行快速散熱。陶瓷基板、開關(guān)MOS管，整流二極管等合理分布并流焊在陶瓷基板上，利于散熱，同時陶瓷基板與外殼相連，能夠迅速將器件熱量傳導(dǎo)，不會出現(xiàn)器件局部過熱現(xiàn)象。如此布局后，模塊的熱量可以均勻地分布在整個產(chǎn)品中并散出去，有效地減小了熱效應(yīng)對產(chǎn)品的老化損傷，增加了產(chǎn)品的使用期限，很大程度上提高了產(chǎn)品的可靠性，同時可以有效地利用空間，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化。

產(chǎn)品采用裸芯片，微組裝工藝，無論是在可靠性方面還是工作溫度等方面都比塑封器件有了極大地提升，產(chǎn)品可靠性高，故障率極低。

2.5.4 輸出短路保護(hù)的設(shè)計(jì)

該電源的輸出端短路保護(hù)電路由專用的電流互感器（Current Transformer，CT）、分壓取樣的計(jì)算電阻來完成。CT將功率開關(guān)管上流過的電流快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒问降男盘?，輸入到U1的第3引腳，進(jìn)行限制、截止脈寬調(diào)制器輸出脈寬的大小，達(dá)到保護(hù)電源的目的。CT產(chǎn)生的功率屬于純粹的功耗，所以初級的線圈匝數(shù)要求少，內(nèi)部阻值要小。本次設(shè)計(jì)選用初級與次級匝數(shù)比值為1∶100的CT。

本次采用的IC芯片有兩種短路保護(hù)模式，分別為打嗝短路保護(hù)、逐周短路保護(hù)模式。

逐周短路保護(hù)模式為電流的取樣信號是逐周進(jìn)行關(guān)斷而驅(qū)動輸出，是提早關(guān)斷每一個周期，縮短MOS的開通時間，達(dá)到了限制保護(hù)的目的，是一種電流峰值的限制方法。電路限流保護(hù)以后，輸出端的電壓會降低，但有輸出。這種比較適用于短時間輕微過負(fù)載不斷輸出的模式。

打嗝式短路保護(hù)是只要感應(yīng)到產(chǎn)品輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重過電流和短路，該電路的輸出就會關(guān)斷一定時間，再利用電路自身帶的軟啟動電路再一次啟動，如果過流現(xiàn)象還存在，就繼續(xù)斷開電路的輸出。因?yàn)榇蜞檬綌嗦繁Ｗo(hù)控制的時間長一些，會關(guān)斷很多個周期，一旦出現(xiàn)持續(xù)性嚴(yán)重過電流時，這樣能夠明顯減小輸入端的平均電流，減小過流時所有元件的損耗，有效減小了電源輸出端在嚴(yán)重過載和長時間短路時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在過流時，DC/DC電源模塊輸出端幾乎電壓掉到0，避免了嚴(yán)重過載及短路對DC/DC變換器的損害，也防止了負(fù)載發(fā)生故障的范圍再擴(kuò)大，在過流故障消除后可自動恢復(fù)正常。

此次電路設(shè)計(jì)中，利用保護(hù)的兩種形式，把反饋信號接到U1的3腳，同時也接到U1的4腳，輕微過負(fù)載時就會發(fā)生逐周短路保護(hù)，嚴(yán)重過載情況下就會觸發(fā)打嗝短路保護(hù)，調(diào)整所接入的電阻阻值來限制保護(hù)程度，更好地保護(hù)DC/DC變換器。

3 產(chǎn)品試驗(yàn)情況

產(chǎn)品研制生產(chǎn)完成后，經(jīng)過測試及相關(guān)試驗(yàn)，來測試產(chǎn)品的性能指標(biāo)，質(zhì)量一致性及可靠性，包含各種試驗(yàn)等，該國產(chǎn)DC/DC變換器經(jīng)過多項(xiàng)試驗(yàn)后，測試產(chǎn)品性指標(biāo)均滿足用戶要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。對該50 W國產(chǎn)DC/DC變換器進(jìn)一步摸底測試，最大輸出功率可達(dá)60 W，效率及其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，超越設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本次研制的50 W國產(chǎn)DC/DC變換器已經(jīng)進(jìn)行了鑒定，完全達(dá)到了鑒定試驗(yàn)的各項(xiàng)要求，所有性能技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到目標(biāo)要求并且能夠滿足使用，目前該產(chǎn)品已經(jīng)批產(chǎn)，同時也在向其他領(lǐng)域推廣，該國產(chǎn)DC/DC變換器的研制成功，解決了目前國內(nèi)市場相關(guān)供需緊張問題，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。