H28X型DC/DC變換器的研制

郭 青，武朝偉，張蕊婷

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工及航空航天等領(lǐng)域。它具有耗能低、重量輕和使用方便等特點(diǎn)。電子產(chǎn)品對(duì)電源技術(shù)性能、容量體積比和可靠性要求愈來(lái)愈高，管芯化模塊電源愈來(lái)愈顯示出其優(yōu)越的性能。它可靠性高、體積較小、工作溫度范圍較寬，便于組合安裝，故被廣泛使用。H28X型DC/DC變換器典型輸入電壓28 V，輸出電壓12 V，輸出最大電流4.2 A，研制過程中解決了電源效率、輸入紋波電流濾波和短路電流的技術(shù)難題。

1 設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

該DC/DC變換器電路按照GJB2438A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、研制。

1.2 設(shè)計(jì)方案及電路原理

設(shè)計(jì)方案采用光電隔離，單端正激模式，簡(jiǎn)單易做，能夠滿足各方面要求。

基于各個(gè)方面的綜合考慮，最終確定了電路原理圖，如圖1所示[1]。

其中，IC1為UCC1800，IC2為GH402K，IC4為TL431，Q1為IRF540，D5、D6采用肖特基整流二極管20CTQ100，變壓器、電感采用RM6和RM5磁罐。

2 研制過程

2.1 電路參數(shù)的選取

圖1 電路原理圖

根據(jù)以上確定方案，對(duì)電特性參數(shù)進(jìn)行選取、定位，主要依據(jù)的是理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本電路核心器件IC1為高性能低功耗，電流模式PWM控制器。

IC1的特點(diǎn)如下：典型起始電流小，為100 μA；最高工作頻率為1 MHz；振蕩頻率準(zhǔn)確；窄脈沖干擾抑制；大電流騰柱式輸出；高帶寬誤差放大器；低電壓輸出限制；出錯(cuò)時(shí)內(nèi)置快速鎖定；輸入到輸出70 μs快速反應(yīng)時(shí)間；內(nèi)置軟啟動(dòng)。

H28X型DC/DC變換器最終采用電流型PWM控制器UCC1800（TI公司生產(chǎn)）。該P(yáng)WM控制器具有高速率和低損耗的特點(diǎn)。UCC1800內(nèi)部集成了固定頻率電流模式控制的離線式與DC/DC變化器所需的控制和驅(qū)動(dòng)電路，主要用于電流型單端DC/DC變換器的控制。它的內(nèi)部采用全周期軟啟動(dòng)及前沿電壓尖峰消隱技術(shù)，精度較高，電壓穩(wěn)定性好，外圍電路比較簡(jiǎn)單。相比電壓型PWM，電流型PWM擁有更好的電源、負(fù)載調(diào)整度，使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性[2]。

UCC1800的參數(shù)為：工作電壓為7.2～13.5 V；最大工作頻率1 MHz；工作最大占空比為100%；具有內(nèi)部軟啟動(dòng)、欠壓鎖定功能；輸出電流最大1 A；工作溫度-55～+125 ℃。

1腳補(bǔ)償：這個(gè)管腳是誤差放大器輸出端，用于回路補(bǔ)償，信號(hào)直接輸入，內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路。

2腳電壓反饋：這是誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的帶寬約為2 MHz。

3腳電流檢測(cè)：與電感電流成正比的電壓，被連接到該輸入端。PWM使用這個(gè)電流數(shù)據(jù)決定輸出開關(guān)是否導(dǎo)通。

4腳RT/CT：頻率端，振蕩頻率和最大輸出占空比與Vref相連的電阻RT和與地相連的電容器CT控制，可達(dá)到500 kHz。

5腳：接地端。

6腳輸出：輸出端直接驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，由該腳變換的峰值電流可得1.0 A。

7腳Vcc：這個(gè)管腳是集成電路的正電源。因采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸入電壓最高被限制在13.5 V，啟動(dòng)電壓為7.3 V，關(guān)閉電壓為7 V。

8腳Vref：這是基準(zhǔn)電壓輸出端，它經(jīng)電阻RT為電容器CT提供充電電流。

在選擇光電耦合器的過程中，需要注意：選擇具有較快的上升響應(yīng)速度、較強(qiáng)的抗干擾性、較高可靠性的耦合器。本文研究的光電耦合器結(jié)構(gòu)類型屬于微型陶瓷，適用于表面貼裝技術(shù)。

選擇電壓控制器的過程中，需要注意：電壓的最大值為35 V，最小值為3 V，參考電壓受溫度的影響較小，對(duì)電流的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)，阻抗較小，能夠在全溫度的基礎(chǔ)上適用，且溫度系數(shù)不超過50 ppm/℃，輸出時(shí)產(chǎn)生的噪聲較小。

MOSFET/IRF540的特點(diǎn)：工作電壓高，為100 V；工作電流大，為33 A；導(dǎo)通電阻小，即RON=0.044 Ω。

肖特基整流二極管20CTQ100的特點(diǎn)：反向工作電壓高，為100 V；工作電流大，為20 A；正向?qū)妷航底栊　?/p>

磁性材料選擇的是輸出功率大的RM6和RM5磁罐，因?yàn)楣扌痛挪木哂休^好的屏蔽性。

基片選取96%三氧化二鋁陶瓷基片。

陶瓷電容選取X廠生產(chǎn)的，片鉭電容器選取X廠生產(chǎn)的。

2.2 工藝參數(shù)的確定

電阻印刷、金絲球焊和高溫烘焙為關(guān)鍵工藝點(diǎn)，激光調(diào)阻、成膜測(cè)試為質(zhì)控點(diǎn)，因?yàn)榧す庹{(diào)阻要求關(guān)鍵電阻精度為±0.5%，金絲球焊直接關(guān)系到產(chǎn)品的可靠性，高溫烘焙直接影響電路的內(nèi)部水汽含量，因此，要求嚴(yán)格的工藝控制。成膜測(cè)試和成品檢測(cè)關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量是否合格是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，所以在此處設(shè)置質(zhì)控點(diǎn)。

3 技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）外形尺寸：70 mm×35 mm×11 mm；（2）工作溫度范圍：-55～+125 ℃；（3）輸入電壓：28 V±0.5 V；（4） 輸 出：+12 V±0.25 V/4.2 A；（5） 紋波：Vpp≤50 mV；（6）電壓調(diào)整率：≤1%；（7）負(fù)載調(diào)整率：≤1%；（8）效率：Vη≥80%

該產(chǎn)品需解決的技術(shù)問題如下：（1）線路之間的相互干擾問題；（2）產(chǎn)品布局熱設(shè)計(jì)問題；（3）產(chǎn)品的小型化；（4）產(chǎn)品的自保護(hù)電路設(shè)計(jì)問題；（5）電磁兼容問題；（6）振動(dòng)問題；（7）產(chǎn)品重量減輕的問題；（8）產(chǎn)品的高可靠性設(shè)計(jì)問題[3]。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.2.1 電源功率和效率問題

該產(chǎn)品輸出功率大，組裝密度高，如果效率不能達(dá)標(biāo)，產(chǎn)品的可靠性和實(shí)用性將無(wú)法保證，這是最大的問題。

為了提高電源效率，進(jìn)行了以下攻關(guān)。首先，合理選用磁材。在殼體空間允許的情況下，變壓器盡可能選取高頻、大功率磁材，形狀要符合殼體空間特點(diǎn)。其次，優(yōu)化控制環(huán)路的參數(shù)。利用網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)，結(jié)合大量實(shí)際試驗(yàn)，優(yōu)化電路控制環(huán)路參數(shù)。選取大電流、低導(dǎo)通電壓的肖特基二極管，減小正向的導(dǎo)通損耗；選取合適的MOS管，減小功率器件的損耗。既要發(fā)揮功率驅(qū)動(dòng)管的最佳運(yùn)行狀態(tài)，又要進(jìn)行尖峰抑制，消除欠驅(qū)動(dòng)和過驅(qū)動(dòng)。

通過大量反復(fù)試驗(yàn)，最終功率問題、大范圍溫度適應(yīng)問題以及諸多芯片化工藝問題，徹底擺脫了項(xiàng)目研制困境。

3.2.2 輸入紋波電流的濾波問題

由于功率大且密度高，產(chǎn)品的輸入反射紋波都比較大。根據(jù)用戶實(shí)際需要，要求在有效抑制輸入紋波電流的同時(shí)，不能影響產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性和可靠性，還不能影響產(chǎn)品輸出功率和自身功耗，這是研制輸入濾波器的一個(gè)難點(diǎn)。

對(duì)應(yīng)措施：在電源的輸入端設(shè)計(jì)專用輸入濾波器。

經(jīng)過多次論證和數(shù)次實(shí)驗(yàn)，最終使該濾波器達(dá)到了以下要求：

（1）具有足夠大的紋波抑制比，大幅降低了輸入紋波電流；

（2）具有足夠?qū)挼念l率范圍，抑制了電源本振及其各次諧波頻率的紋波；

（3）低差損特性，不影響產(chǎn)品自身功耗；

（4）大電流，必須滿足電源的最大輸入電流的2～4倍。

3.2.3 保護(hù)電路的問題

變換器過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)為限流、截流結(jié)合型。設(shè)置比較電壓工作點(diǎn)、取樣分壓電阻與電流互感器，屬于重點(diǎn)內(nèi)容。

電流互感器的主要功能是使功率管中的電流向電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變。在整流濾波的作用下，輸入IC1的3腳和比較器的1腳，以此調(diào)整脈沖的寬度。在大于標(biāo)準(zhǔn)功率的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的保護(hù)。另外，應(yīng)注意，由于電流互感器最初的匝數(shù)較少，因此內(nèi)阻數(shù)值較小。

調(diào)制器IC1的3腳電壓最小值為0.7 V，最大值為1 V，若電流中的取樣電壓具有較大的數(shù)值波動(dòng)，將會(huì)直接影響脈寬調(diào)制器。因此，取樣完畢后，電壓應(yīng)經(jīng)過整流濾波處理，將其分壓后再設(shè)IC1的3腳電壓工作點(diǎn)，從而通過上述兩點(diǎn)對(duì)電路實(shí)施過流保護(hù)。IC1的8腳屬于5 V基準(zhǔn)電源，在分壓電阻的處理下，將有效降低電壓值，為3腳工作提供便利。當(dāng)電源負(fù)載較小時(shí)，3腳電壓數(shù)值可以設(shè)置到0.5 V左右；當(dāng)電源負(fù)載較大時(shí)，取樣分壓電壓將提升3腳電壓，以達(dá)到保護(hù)點(diǎn)，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。

4 產(chǎn)品的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

產(chǎn)品具有體積小、絕緣度高、重量輕和可靠性高等特點(diǎn)。獨(dú)特的輸入濾波器設(shè)計(jì)是該電源的創(chuàng)新點(diǎn)。該電路采用先進(jìn)的厚膜混合集成電路工藝，質(zhì)量性能穩(wěn)定，電路成熟可靠，線路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平[4]。

5 產(chǎn)品應(yīng)用情況

該產(chǎn)品具有體積小、重量輕、輸出功率大、輸入電流紋波、輸出電壓紋波小、可靠性高、全金屬屏蔽封殼和整機(jī)調(diào)試使用方便等特點(diǎn)，且可以批量生產(chǎn)，用戶試用情況良好。同時(shí)，該產(chǎn)品具有通用性，具有廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)方案采用光電隔離，單端正激模式，簡(jiǎn)單易做，能夠滿足各方面要求。熱設(shè)計(jì)方面，在提高產(chǎn)品散熱效率的前提下，通過版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)功率管的直接熱傳導(dǎo)能力，擴(kuò)大產(chǎn)品的有效散熱面積，均勻分布功率發(fā)熱元器件。同時(shí)，要考慮元器件發(fā)熱對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的老化作用，從而保證產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

6 結(jié) 語(yǔ)

混合集成電路H28X型DC/DC變換器經(jīng)用戶試用，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到并滿足使用要求；制造工藝穩(wěn)定、具有可重復(fù)性和批量生產(chǎn)能力；所需原材料、配套件等，有穩(wěn)定可靠的供貨來(lái)源。該電路采用先進(jìn)的厚膜混合集成電路工藝，質(zhì)量性能穩(wěn)定，電路成熟可靠，線路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

[1] Abraham I P.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 謝沅清.模擬集成電路應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，1984.

[3] 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社出版地，1980.

[4] 方佩敏，張國(guó)華.最新集成電路應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.