一款雙面組裝的三路芯片化DC/DC變換器設(shè)計(jì)

何 妮，楊三成，張 虹

（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

隨著航空航天的不斷發(fā)展，對(duì)高可靠、小體積、多路輸出獨(dú)立控制的DC/DC變換器的需求量逐漸增多，采用厚膜電路工藝制造高可靠、多路輸出獨(dú)立控制的DC/DC變換器的需求更為明顯。根據(jù)這一市場(chǎng)供需情況，陜西華經(jīng)微電子股份有限公司根據(jù)用戶需求，自主研發(fā)了雙面組裝、三路獨(dú)立控制的新型芯片化DC/DC變換器電源模塊。該模塊在使用方面比其他同類型DC/DC變化器更加靈活，應(yīng)用領(lǐng)域更寬廣，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于同類型其他產(chǎn)品[1]。

1 研制目標(biāo)

1.1 主要指標(biāo)

（1）輸入電壓UI=18～36 V，中心電壓為（+28±0.5）V；（2）輸出電壓為（+5.1±0.1）V、（+5.1±0.1）V、（+27±0.2）V；（3）電壓調(diào)整度SV1≤50 mV、SV2≤ 50 mV、SV3≤ 100 mV；（4）負(fù)載調(diào)整度SI1≤50 mV、SI2≤50 mV、SI3≤ 100 mV；（5）紋波電壓要求URIP1≤50 mV、URIP2≤50 mV、URIP3≤100 mV； （6）輸出電流1 A（+5.1 V）、0.2 A（+5.1 V）、1A（+27 V）； （7）效率≥75%；（8）三路輸出獨(dú)立控制。

1.2 外形尺寸

產(chǎn)品的外殼尺寸為67 mm×51 mm×17 mm。采用雙排橫插式外殼，平行縫焊式封裝結(jié)構(gòu)，殼體型號(hào)FPP5050-12。

2 設(shè)計(jì)原理與技術(shù)難點(diǎn)、關(guān)鍵問(wèn)題的解決

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合用戶要求，經(jīng)過(guò)綜合分析確定選用正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置三路獨(dú)立的控制回路，采用光耦隔離反饋來(lái)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，原理框圖見(jiàn)圖1。

本次電路總體線路由3組完全獨(dú)立的電源線路組成。分別為輸出1路（+5.1±0.1）V、輸出2路（+5.1±0.1）V和輸出3路（+27±0.2）V。本次電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電路是獨(dú)立自主控制，負(fù)載變化時(shí)對(duì)每一路輸出端電壓的影響非常小，輸出的電壓精準(zhǔn)度很高，輸出端電壓的變化跟隨輸入端電壓變化和輸出端負(fù)載變化很微小[2]。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

依據(jù)該電源的技術(shù)性能指標(biāo)和我公司成熟的工藝以及多年研制電源模塊的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)線路原理與體積的要求，最終確定該電路使用裸芯片形式進(jìn)行生產(chǎn)組裝，采用陶瓷基片進(jìn)行散熱，12腳金屬封裝外殼。采用混合集成成膜工藝和裝配工藝，成膜工藝包括制版、印刷、燒結(jié)、調(diào)阻4道工序，厚膜混合集成電路裝配工藝包括焊接、黏接、鍵合、封裝、篩選等工序。各道工序之間互相配合，成熟的工藝水平確保了產(chǎn)品質(zhì)量水平以及可靠性，具有很強(qiáng)的批生產(chǎn)能力和科研技術(shù)攻關(guān)能力，平行縫焊封裝，印刷導(dǎo)體的基片材料選用96% Al2O3陶瓷。產(chǎn)品中集成電路、MOS管、三極管、二極管均采用裸芯片。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合用戶對(duì)產(chǎn)品密封性的要求，選取了平行縫焊形式的金屬外殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品的外形要求、溫度范圍等條件，結(jié)合成熟的元器件配套情況和軍工產(chǎn)品的所有標(biāo)準(zhǔn)外殼，采用金屬外殼FPP5050-12的封裝結(jié)構(gòu)，將常見(jiàn)的殼體底部移至殼體中間位置，靠近側(cè)引線的位置預(yù)留出組裝槽，便于正反面組裝。

2.4 電路原理設(shè)計(jì)

研制的產(chǎn)品由3組獨(dú)立的電源線路控制組成。分別為輸出1路（+5.1±0.1）V、輸出2路（+5.1±0.1）V和輸出3路（+27±0.2）V。因此，采用單端正激模式電流拓?fù)鋪?lái)完成設(shè)計(jì)。DC/DC變換器的電路原理見(jiàn)圖1。

圖1 27V/1A電路原理圖

本次設(shè)計(jì)采用單端正激式DC/DC變換器，由輸入端濾波網(wǎng)絡(luò)電路、脈寬調(diào)制器、保護(hù)部分電路及輸出濾波網(wǎng)絡(luò)電路等組成。

在電路輸入端設(shè)計(jì)了π型濾波，以控制供電系統(tǒng)部分工作時(shí)與DC/DC電源模塊相互之間的干擾。線路前一部分的電路工作與反激式大體相同，正激模式電路相對(duì)比較簡(jiǎn)潔一些，和反激式相比較，電路輸出端多增加了一個(gè)儲(chǔ)能型濾波電感和一個(gè)續(xù)流二極管，所以正激式電源的外形尺寸較反激式電源的外形要大一些。線路中變壓器的初級(jí)線圈繞組被直流電壓觸發(fā)時(shí)，變壓器的次級(jí)繞組未能向輸出的負(fù)載供給功率輸出，只是在變壓器初級(jí)線圈繞組上的激勵(lì)電壓被完全打開(kāi)后，才能向輸出端的負(fù)載供給功率輸出。正激式電源的線路使用的變壓器不用開(kāi)氣隙[3]。

該電路為三路獨(dú)立直流—直流電源。脈寬調(diào)制器（UC公司）組成了振蕩電路，用來(lái)控制MOS管的工作，輸入電壓經(jīng)過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓及濾波等電路，產(chǎn)品穩(wěn)定輸出。反饋部分的電路由取樣和放大及調(diào)整幾個(gè)電路部分組成，利用光耦來(lái)控制調(diào)制器的反饋端。輸出電壓UO產(chǎn)生變化時(shí)，R14、R15取樣端電壓隨之產(chǎn)生變化，電壓基準(zhǔn)源N3，與N3內(nèi)部的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，再通過(guò)高倍數(shù)的誤差放大，轉(zhuǎn)換為電流形式，作用到光耦N2上，經(jīng)過(guò)N2內(nèi)部的隔離反饋，改變PWM調(diào)制器N1的脈沖寬度，再調(diào)整開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的目標(biāo)。+27 V工作原理與兩路5.1 V相同。

2.4.1 輸入濾波電路

電路輸入端濾波電路的作用主要有兩點(diǎn)：①有效控制輸入電壓的電源線上帶的高頻段電壓信號(hào)干擾；②控制電源模塊工作時(shí)產(chǎn)生的高頻段干擾再疊加到輸入端的電源線上。

輸入端濾波元件的選?。害行蜑V波，由電容C1、C2電感L1組成。前一級(jí)電感濾波的設(shè)計(jì)，側(cè)重于解決母線上被反射紋波污染的問(wèn)題。濾波電感的電感量設(shè)計(jì)不能過(guò)大，易引起電路的振蕩，干擾瞬態(tài)響應(yīng)和啟動(dòng)指標(biāo)的特性；電感量也不能過(guò)于小，不然就發(fā)揮不到最大作用。

2.4.2 PWM控制電路

本次電路設(shè)計(jì)采用的PWM控制器有速度高、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，控制器內(nèi)部主要集成了工作頻率不變的電流式控制和離線式及DC/DC電源需具備的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路，和同類型類似芯片比較，它是用于電流模式單端變換器的控制。和電壓型PWM相比較，電流型PWM的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率性能更加良好，可以改善系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性[4]。

PWM控制器主要參數(shù)：工作電壓7.2～12 V，內(nèi)部軟啟動(dòng)功能、工作頻率最大為1 MHz、工作時(shí)的最大占空比為100%、輸出驅(qū)動(dòng)電流最大1 A，可以工作的溫度范圍為-55～125 ℃。

2.4.3 啟動(dòng)和自供電電路介紹

PWM脈寬調(diào)制器集成塊N1的P7腳為芯片提供電壓UCC。當(dāng)輸入端的電壓UCC低于芯片工作需要的開(kāi)啟電壓時(shí)，芯片就會(huì)不工作；當(dāng)輸入端的電壓UCC高過(guò)芯片的內(nèi)部穩(wěn)定電壓時(shí)，芯片就有可能被損傷。為了保障集成電路正常穩(wěn)定的工作且不被損傷，也考慮到MOS管的最佳工作電壓為10 V左右，經(jīng)過(guò)各方面考慮、分析，采用V3、V1、R1、R2組成了線性穩(wěn)壓源供電給集成電路，如圖1所示，供電電路中穩(wěn)壓管V1為12 V，則供電電壓為11.3 V左右。

設(shè)計(jì)時(shí)，將需要和變壓器、電感連接的陶瓷基板上的焊接點(diǎn)設(shè)計(jì)在靠近變壓器、電感的位置，防止焊接時(shí)連線不整齊，加嚴(yán)控制變壓器、電感出線口的出線尺寸。焊接工序完成后，對(duì)變壓器、電感的出線位置進(jìn)行整理，順著殼體內(nèi)壁整線，但同時(shí)也要確保不能與殼體內(nèi)壁接觸，并使用具有彈性的專業(yè)固定膠對(duì)漆包線進(jìn)行牢靠固定，可以避免產(chǎn)品出現(xiàn)絕緣指標(biāo)達(dá)不到要求的問(wèn)題，也為產(chǎn)品內(nèi)部多余物控制提供了強(qiáng)有力的保障。

綜合以上介紹，本次電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是每一路輸出都是獨(dú)立控制，輸出負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響很小，具有很高的輸出電壓精度，輸出電壓變化隨輸入電壓變化及輸出端負(fù)載產(chǎn)生的變化很微小，因?yàn)楫a(chǎn)品的每一路負(fù)載對(duì)全部的輸出端電壓影響都非常小，所以更加適合于整機(jī)的調(diào)試和更寬領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2.5 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵問(wèn)題的解決

2.5.1 元件的選取

元器件及殼體均采購(gòu)于軍用合格供應(yīng)商和專業(yè)外殼生產(chǎn)廠家，保證各種材料的批量采購(gòu)，殼體材料選用10號(hào)冷軋鋼，此材料的熱膨脹系數(shù)幾乎接近7×10-6/℃，散熱性能良好。采用這種淺腔殼體、平行縫焊結(jié)構(gòu)，滿足了水汽含量的指標(biāo)要求，提高了產(chǎn)品密封性（漏氣率達(dá)10-7atm·cm3/s數(shù)量級(jí)），增加了線路內(nèi)部的各種保護(hù)功能，保障了電路長(zhǎng)期的可靠性，避免了采用錫焊工藝在用助焊劑后導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部污染的問(wèn)題，同時(shí)此外殼具有抗耐濕、鹽霧特性，滿足用戶使用環(huán)境要求。所有使用的元件均達(dá)到軍級(jí)以上，集成電路、MOS開(kāi)關(guān)管、二極管、三極管這些元器件都選用裸芯片器件，所有片式電容、片式電阻均達(dá)到普軍等級(jí)[5]。

2.5.2 電源輸出噪聲

DC/DC變換器在工作時(shí)，電路內(nèi)部電壓和電流所產(chǎn)生的波形基本全是在較短時(shí)間上升或下降的，因此開(kāi)關(guān)電源自身就屬于是噪聲發(fā)生源。所有的開(kāi)關(guān)電源按照噪聲干擾源類型可以劃分成尖峰干擾、諧波干擾兩類。要使開(kāi)關(guān)電源發(fā)生的干擾不會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)和整個(gè)電子系統(tǒng)造成影響的最根本方法是利用耗能電路來(lái)減小噪聲的發(fā)生源，或是直接斷開(kāi)噪聲與電網(wǎng)、電子系統(tǒng)之間所有的耦合途徑。

要降低產(chǎn)品輸出紋波，重點(diǎn)是在電路的設(shè)計(jì)、平面布圖和元器件選取上采取有效措施。有以下幾個(gè)方面：在進(jìn)行平面版圖布線時(shí)合理的排列元器件的位置，盡量使電磁干擾在同一平面，避免立體空間之間的相互干擾，當(dāng)電路封入外殼時(shí)，屏蔽效果最大化；平面布圖時(shí)，強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)的地線分開(kāi)，最后單點(diǎn)接地；使用性能合適的電感和變壓器；在變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間利用阻容阻尼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步減小電磁干擾；電路的輸出端利用濾波網(wǎng)絡(luò)消除干擾。

因?yàn)镈C/DC變換器是整機(jī)系統(tǒng)中相對(duì)比較大的干擾源，所以用戶提出產(chǎn)品輸出要做到低紋波。該產(chǎn)品內(nèi)部可用體積為48 mm×48 mm×16 mm，但是因?yàn)榇殴薜母叨葐?wèn)題，需要留出磁罐的位置，這樣正面陶瓷基片可用面積僅為39.6 mm×32.1 mm。背面兩路輸出，背面陶瓷基片一分為二，減小單片基片的面積，一片基片上承載一路電源線路，這樣也有效地避免了出現(xiàn)陶瓷基片開(kāi)裂的情況。此時(shí)，磁罐在整個(gè)產(chǎn)品的中上部，濾波電容為每路兩只電容并聯(lián)。但因磁罐與外殼距離太近在組裝時(shí)比較困難，在生產(chǎn)中存在可操作性差和合格率低等弊端。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化布圖，將背面磁罐調(diào)整到整個(gè)產(chǎn)品的右上部，不僅避開(kāi)了磁罐和外殼，每路還多留出了一個(gè)電容的位置，這樣不但提高了可靠性還節(jié)省了空間。但這樣做增加了內(nèi)連線長(zhǎng)度，不過(guò)因?yàn)樵黾恿溯敵鲭娙?，所以輸出并未受到影響反而減小了紋波，這樣就解決了可靠性等問(wèn)題。

2.5.3 正反面組裝問(wèn)題

該產(chǎn)品為三路穩(wěn)壓電源輸出，3個(gè)獨(dú)立單元分別為輸出A路（+5.1 V/1 A）、輸出B路（+5.1 V/0.2 A）、輸出C路（+27 V/1 A），總功率33 W。這三路輸出電壓要求分別獨(dú)立控制且不共地，電路設(shè)計(jì)及排版組裝難度大。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定該產(chǎn)品采取正反兩面組裝，考慮到功率大小及一致性、可操作性，將輸出+5.1 V/1 A和輸出+5.1 V/0.2 A放在同一面進(jìn)行組裝，這兩路電源選取的變壓器高度統(tǒng)一，有效節(jié)省了空間；將輸出+27 V/1 A單獨(dú)放在另外一面進(jìn)行組裝，該路輸出功率（27 W）較大，變壓器尺寸較大，高度超出了外殼尺寸，為了解決這一問(wèn)題，進(jìn)行外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證外殼可靠性的同時(shí)，在變壓器對(duì)應(yīng)的外殼黏接處向下銑槽，這樣既解決了高度問(wèn)題，同時(shí)也不影響變壓器的散熱效果。

在產(chǎn)品殼體內(nèi)部預(yù)留足夠正反面組裝的連接槽，以便于引腳的焊接與過(guò)線，這樣既可以解決正、反兩面的電路連接問(wèn)題，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性。

產(chǎn)品在進(jìn)行裸芯片黏接和金絲鍵合時(shí)，采取單面分別先進(jìn)行裸芯片黏接、烘干，再進(jìn)行另外一面的黏接、烘干，金絲鍵合也是分開(kāi)進(jìn)行，在金絲鍵合工作臺(tái)上使用專業(yè)夾具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠固定，確保鍵合可靠性。這樣有效提高了產(chǎn)品的可操作性，同時(shí)也提高了操作人員的工作效率，為檢驗(yàn)人員提供了便利條件。

該產(chǎn)品采用96%的AL2O3陶瓷作為線路的基板，基板與外殼之間是通過(guò)高溫環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行黏接，黏接牢靠，正反面組裝解決了體積小、三路輸出無(wú)法分布的難點(diǎn)。

3 結(jié) 論

該產(chǎn)品經(jīng)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到用戶及相關(guān)文件要求。用戶委托陜西華經(jīng)微電子股份有限公司進(jìn)行鑒定檢驗(yàn)，鑒定檢驗(yàn)合格。該產(chǎn)品的研制成功，解決了目前市場(chǎng)對(duì)三路獨(dú)立控制DC/DC變換器的供需問(wèn)題，可以在其他應(yīng)用領(lǐng)域推廣，有良好的應(yīng)用前景。