一種基于SOI器件的高溫DC/DC電源的設(shè)計(jì)

劉林 丁瀚

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

目前我們國(guó)家正在進(jìn)行探月二期、探月三期工程的實(shí)施，未來(lái)還要建立月球基地，實(shí)現(xiàn)載人登月，對(duì)月球進(jìn)行更深入的開(kāi)發(fā)。白天月表高溫可達(dá)127℃以上，常規(guī)的高可靠混合集成DC/DC 電源的工作溫度范圍只有-55～125℃，無(wú)法滿足探月工程未來(lái)的需求，考慮到溫度降額，因此需要針對(duì)最高工作溫度175℃以上的高可靠DC/DC 電源開(kāi)展研究，為后續(xù)包括探月在內(nèi)的深空探測(cè)工程提供保障。本文中介紹了一種基于SOI 工藝的高溫DC/DC 電源的設(shè)計(jì)，最高工作溫度可以達(dá)到185℃以上。該種電源還可以應(yīng)用到深井勘探、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)等系統(tǒng)中。

2 電路方案設(shè)計(jì)

本文所要完成的電路基本要求是：

（1）輸入電壓：28V±3V；

（2）輸出直流電壓：±12V；

（3）輸出功率：12W；

（4）輸出紋波電壓：≤600mV；

（5）效率：≥70%；

（6）工作溫度范圍：-55～185℃。

2.1 高溫電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電路選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單，所需的元器件較少，主要適用于中小功率電源電路。且反激電路作為成熟技術(shù)，可以有效地保證電路的可靠性。

電路原理框圖如圖1所示：采用單端反激式結(jié)構(gòu)，由輔助電源、高頻反激變壓器、功率開(kāi)關(guān)管、脈寬調(diào)制器（PWM）、整流濾波電路、取樣比較磁隔離反饋電路、電流取樣電路等電路組成。

2.2 高溫元器件研究

限制半導(dǎo)體元器件最高工作溫度的主要因素是高溫泄漏電流。必須優(yōu)選高溫泄漏電流較小的半導(dǎo)體元器件開(kāi)展高溫DC/DC 電源的研制工作。

SOI（Silicon on insulator）技術(shù)是在頂層硅與襯底硅之間引入了一層埋氧化層，與常規(guī)硅基芯片技術(shù)相比不存在大面積的阱-襯底pn 結(jié)，使泄漏電流顯著減?。挥捎谙藀npn 可控硅結(jié)構(gòu)，從而杜絕了熱激發(fā)閂鎖效應(yīng)。采用SOI 材料制作的半導(dǎo)體器件的最高工作溫度可以超過(guò)300℃。

本電路中選擇了基于SOI 工藝生產(chǎn)的脈寬調(diào)制器CHTMAGAMA、功率MOS 管CHT-NMOS8005 和CHT-SNMOS80 等器件進(jìn)行了研究工作，最高工作溫度達(dá)到了185℃以上。

表1：主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖1：電路工作原理框圖

圖2：磁隔離反饋電路

2.3 高溫磁隔離反饋電路的設(shè)計(jì)

反饋技術(shù)的設(shè)計(jì)方案主要有光電隔離反饋及磁隔離反饋，由于采用光電反饋所能選到的光電器件無(wú)法耐高溫，在本項(xiàng)目中選擇磁隔離反饋的方案設(shè)計(jì)。

圖3：組裝封裝工藝流程

反饋電路仍然采用和主控制器一樣的CHT-MAGMA 型脈寬調(diào)制器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路圖如圖2所示，基本構(gòu)造仍是一個(gè)反激拓?fù)洹?/p>

工作原理如下：

當(dāng)Q1 導(dǎo)通時(shí)，反饋?zhàn)儔浩鱐2 的原邊A 繞組導(dǎo)通，B 繞組開(kāi)始儲(chǔ)存能量；當(dāng)Q1 關(guān)斷時(shí)，繞組中儲(chǔ)存的能量由Q2 釋放。B 繞組用來(lái)重置變壓器的磁通，將能量傳回供電。因此，該電路直流損耗非常小。次級(jí)繞組將輸出電壓進(jìn)行電壓變換后傳輸回原邊，再經(jīng)整流分壓，作為反饋電壓控制脈寬調(diào)制器的占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2.4 高溫電源電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電路的結(jié)構(gòu)方案，采用全密封金屬封裝結(jié)構(gòu)，電路的載體選用AL2O3，殼體材料為冷軋鋼，外引線采用銅芯復(fù)合材料。

冷軋鋼導(dǎo)熱性能良好，與陶瓷基板有優(yōu)良的熱匹配性，可避免溫度循環(huán)以及長(zhǎng)期老化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的沖擊。封口使用平行縫焊技術(shù)在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行封裝，以保證氣密性。引出腳為扁平引線形式，散熱面在外殼底部，功能引腳由側(cè)面引出，有利于電路散熱和電氣連接。

2.5 高溫電源電路的工藝設(shè)計(jì)

高溫DC/DC 電源采用厚膜混合集成工藝制作。陶瓷成膜基片采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等厚膜工藝制作；成膜基片采用再流焊接工藝與金屬管殼形成焊接；再將電容、裸芯片、變壓器、電感器等元器件采用焊接和粘接等工藝裝配到基片上及外殼中；最后進(jìn)行氣密封裝。組裝工藝可承受-65℃～185℃的環(huán)境試驗(yàn)考核。

組裝工藝流程圖如圖3所示。

3 電路達(dá)到的性能

采用高溫厚膜混合集成工藝和金屬氣密封裝技術(shù)研制的高溫DC/DC 電源樣品實(shí)測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示?？梢钥闯?，該電源突破了常規(guī)硅器件最高結(jié)溫175℃的限制，具有輸出電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文介紹了一種高溫DC/DC 電源的設(shè)計(jì)，詳述了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高溫元器件研究、電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高溫工藝設(shè)計(jì)等，該電路具有最高工作溫度高達(dá)185℃的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于各種對(duì)工作溫度要求高的場(chǎng)合。