三路芯片化DC/DC 變換器的設(shè)計

靳寶軍，王浩全，張海俠，張 敏

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們對電源可靠性、容量/體積比以及技術(shù)性能要求越來越高。這種情況下，芯片化模塊電源越來越顯示出優(yōu)越性。它體積小、可靠性高、工作溫度范圍寬，便于安裝組合，被廣泛采用。該產(chǎn)品只是芯片化電源的一種，工作原理與傳統(tǒng)模塊電源大同小異。本文在研制過程中遇到并解決了一些特殊難題，現(xiàn)對其進(jìn)行總結(jié)，以供參考。

1 設(shè)計原理

配備該產(chǎn)品的總線電壓28.5 V，內(nèi)部的儀表、電路需要的工作電壓為5 V、±15 V。該產(chǎn)品的作用是將28.5 V的總線電壓隔離轉(zhuǎn)換成5 V、±15 V的電壓供整機內(nèi)部的儀表、電路使用。該產(chǎn)品采用光耦隔離反饋、單端正激模式，通過誤差反饋對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，通過濾波電路有效抑制輸出紋波。

具體地，研制目標(biāo)如下：

（1）輸入電壓：28.5 V±3 V；

（2）輸出電壓：5.1 V；+15 V，-15 V；

（3）輸出電流：+5.1 V/5 A，+15 V/0.8 A，-15 V/0.2 A；

（4）輸出功率：40 W；

（5）輸入/輸出隔離：隔離；

（6）外形尺寸：64 mm×38 mm×10.5 mm。

2 電路設(shè)計

2.1 工作原理

電源線路基本相同，均采用單端正激模式。模塊電源由輸入濾波、啟動電路、脈寬調(diào)制器電路、保護(hù)電路、取樣反饋電路以及輸出濾波電路等組成，電路見圖1。

圖2 電路原理圖

工作原理，見圖2。變換器輸入端設(shè)計有一個π型濾波電路，以減小供電系統(tǒng)與變換器內(nèi)部之間的相互干擾。濾波電路后是線性穩(wěn)壓電路，主要為脈寬控制器提供穩(wěn)定的工作電壓。由于脈寬控制器的輸入端內(nèi)部設(shè)有一個13.5 V的穩(wěn)壓管，供電電壓如果超過13.5 V，會損壞脈寬控制器，所以線性穩(wěn)壓電路提供的電壓為10.5～11.5 V。脈寬控制器工作后，產(chǎn)生方波推動MOS管間斷導(dǎo)通，使DC/DC變換器初級主回路中產(chǎn)生間斷電流，通過變壓器隔離感應(yīng)至次級，經(jīng)過二極管整流，電感、電容濾波后經(jīng)功率端輸出。輸出端設(shè)有取樣電路，取樣電壓設(shè)為5.1 V。當(dāng)輸出電壓大于5.1 V時，三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管TL431A導(dǎo)通，輸出電壓超出5.1 V的大小與TL431A導(dǎo)通的電流成正比。輸出電壓小于5.1 V時，TL431A導(dǎo)通的電流為0 A。TL431A與產(chǎn)品中的光電耦合器是串聯(lián)關(guān)系，TL431A導(dǎo)通電流的變化通過光電耦合器以線性關(guān)系反饋到脈寬控制器，脈寬控制器通過反饋的信號對推動MOS管的方波脈寬進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整，以增大或減小初級主回路中的電流流通時間，控制感應(yīng)到次級的能量，起到次級輸出電壓穩(wěn)定的作用。+15 V工作原理與5.1 V相同，-15 V采取跟隨+15 V的方式穩(wěn)壓，變壓器與電感與+15 V并繞，空載進(jìn)行電壓抑制。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上采用標(biāo)準(zhǔn)12線腔體直插金屬全密封外殼，材料選用可伐合金（4J29），表面有鍍鎳層用于防鹽霧。產(chǎn)品采用引線鍍金，玻璃絕緣子隔離的平行縫焊外殼；內(nèi)部板與外殼內(nèi)引線采用雙股鍍銀銅絲焊接方式進(jìn)行連接，外殼使用平行縫焊結(jié)構(gòu)；元器件采取必要的降額設(shè)計，表貼元件即功率裸芯片采用再流焊工藝，使產(chǎn)品正常工作時其內(nèi)部元件有一個合理的熱應(yīng)力環(huán)境。

2.3 工藝設(shè)計

工藝采用厚膜混合集成裸芯片組裝工藝，金屬外殼，平行縫焊封裝。電路承載的基片選用Al2O3陶瓷基片。產(chǎn)品中集成電路等元器件均采用裸芯片。

3 關(guān)鍵問題的解決

3.1 電路濾波問題

初樣產(chǎn)品測試過程中發(fā)現(xiàn)紋波大的問題。經(jīng)分析，輸出紋波基波值滿足要求，但諧波分量太多，存在影響整機誤計算的可能性。該產(chǎn)品內(nèi)部為3路輸出，2組控制回路，其中1路控制+5 V，1路控制±15 V。將2路控制電路的工作頻率同步到一個點上，同時對版圖中的地線進(jìn)行優(yōu)化，從減少諧波分量的角度降低紋波，取得了較好效果。改進(jìn)后的樣品進(jìn)行用戶測試，答復(fù)紋波依舊存在使整機誤操作的可能性。后續(xù)在產(chǎn)品后端增加濾波電路，能夠進(jìn)一步降低紋波數(shù)值，但降低幅度不大。經(jīng)過相關(guān)試驗，增加濾波電路需對電路相關(guān)部位的參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整，才能起到大幅降低紋波的效果。為了最大化降低紋波，全面優(yōu)化影響產(chǎn)品紋波的因素，降低自身工作過程中振蕩脈沖諧波對外的輻射值，降低相互的干擾幅度，調(diào)整特殊點位的吸收量值，最終組裝出的產(chǎn)品紋波降低幅度達(dá)到60%的最佳效果。產(chǎn)品在外部不接電容且滿載條件下，采用帶地線環(huán)測試，紋波峰峰值小于30 mV；采用不帶地線環(huán)測試，紋波峰峰值小于8 mV。改進(jìn)后生產(chǎn)的樣品得到了用戶好評，滿足了用戶需求。

3.2 批產(chǎn)化問題

產(chǎn)品批量化生產(chǎn)基本要求：工序最少，組裝最簡，采購方便。DC/DC電路生產(chǎn)中，由于元器件質(zhì)量及其參數(shù)的離散性，會有部分產(chǎn)品的部分技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生差異，需要前期設(shè)計時進(jìn)行電路調(diào)試。具體地，主要是通過個別元件或電路參數(shù)的微調(diào)校正產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計要求。電路調(diào)試技術(shù)要求較高，調(diào)試過程復(fù)雜，單個指標(biāo)的調(diào)整常常會影響其他指標(biāo)。因此，必須在設(shè)計時做精確計算，避免過程調(diào)試。如果需要驗證，在小批量試流時予以解決。驗證后的產(chǎn)品，在生產(chǎn)時組裝的正確率即代表合格率，這樣才具備芯片化電源批產(chǎn)的要求。為了保證產(chǎn)品的組裝合格率，生產(chǎn)中要嚴(yán)格按照工藝要求操作，避免貼片、焊接各工序的人為錯誤。合理分布檢驗檢測點，消除低級錯誤。合理的設(shè)計保證組裝的正確率，組裝的正確率保證產(chǎn)品的合格率。只有保證產(chǎn)品的合格率，才能解決批產(chǎn)化問題。另外，考慮到易于采購，對設(shè)計過程中元件的選取采用了通用化、可替換代用的做法，不能通用、替換的元件固定生產(chǎn)廠家，保證質(zhì)量，以適應(yīng)于大批量生產(chǎn)采購的要求。

4 結(jié) 論

該產(chǎn)品經(jīng)檢測和試用，各項技術(shù)性能指標(biāo)滿足用戶使用要求，得到了用戶認(rèn)可。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)開始批量運用，可推廣到其他領(lǐng)域。