一款超寬工作溫度的抗輻射POL 電源設(shè)計(jì)

胡梅 楊正男 歐長(zhǎng)江

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

1 引言

抗輻射POL 電源是輸入輸出非隔離的電源模塊，其功能是將系統(tǒng)中的二次電源輸出變換成各子系統(tǒng)所需要的直流電壓，為FPGA、DSP、MCU 等負(fù)載端提供能源，廣泛應(yīng)用于航空航天、微波、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)高性能抗輻射POL 電源的需求也日益增長(zhǎng)。

針對(duì)航天衛(wèi)星對(duì)供電電源的需求，本文設(shè)計(jì)了一種-70℃～+150℃超寬工作溫度范圍的抗輻射POL 電源，該電源具有效率高、輸出電流大、抗輻照能力強(qiáng)等特性，可實(shí)現(xiàn)禁止、短路保護(hù)、輸出電壓可調(diào)等功能。本文主要從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件參數(shù)計(jì)算和選型、150℃高溫和-70℃低溫混合集成工藝等方面實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，并通過軟件仿真和樣件測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該電源設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

該電源的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1：主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電源輸入輸出為非隔離，且實(shí)現(xiàn)降壓型功率變換，一般來說可以使用線性LDO 技術(shù)或開關(guān)電源技術(shù)，但LDO 技術(shù)效率低，不滿足本項(xiàng)目高效率要求。因此能滿足該電源設(shè)計(jì)要求的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有buck、同步buck等。其中buck 電路的工作原理圖如圖1 所示。

圖1：buck 電路原理圖

從原理圖中可以看出，buck 電路的損耗主要集中在MOS 管和整流二極管，其中MOS 管由于導(dǎo)通阻抗很小，一般是毫歐級(jí)，工作時(shí)造成的損耗也很小。而整流二極管的損耗與導(dǎo)通壓降和負(fù)載電流成正比，其中二極管的導(dǎo)通壓降一般在0.7V，因此在低壓大電流條件下，續(xù)流二極管的損耗遠(yuǎn)高于MOS 管。為解決這個(gè)問題，可采用同步整流技術(shù)，用導(dǎo)通阻抗極低的功率MOS 管取代整流二極管，它能大大提高電路效率。同步buck 電路原理圖如圖2 所示。

圖2：同步buck 電路原理圖

在同步buck 電路中，Q1、Q2 兩個(gè)MOS 管交替導(dǎo)通。當(dāng)Q1 導(dǎo)通，Q2 關(guān)斷時(shí)，電流從輸入端經(jīng)Q1、電感LO 流向電容CO 和負(fù)載；當(dāng)Q1 關(guān)斷，Q2 導(dǎo)通時(shí)，電流由電感Lo 流向電容Co 和負(fù)載，再經(jīng)過Q2 回到電感Lo 構(gòu)成回路。根據(jù)本電源的研究目標(biāo)和主要技術(shù)指標(biāo)要求，本電源選擇同步buck 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 元器件參數(shù)計(jì)算和選型

2.3.1 輸入電容設(shè)計(jì)

對(duì)于buck 電路，輸入電容的工況要比輸出濾波電容更為惡劣，輸入電容除了滿足電路電容容量的需要，還要提供更大的紋波電流。

先計(jì)算所需的輸入電容容量，計(jì)算公式如（1）所示：

式中?為電路的工作頻率；ΔV為允許的輸入電壓波動(dòng)峰峰值，一般取額定輸入電壓的5%；當(dāng)D=0.5 時(shí)，D×（1-D）有最大值為0.25。

該電源的工作頻率為300kHz，額定輸入電壓為5V，輸出電流為7A，代入公式（1)，計(jì)算可得本電路需要的最小輸入電容容量為24μF。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并考慮一級(jí)降額要求以及電容的尺寸和容量問題，輸入電容選用耐壓25V，容量為10μF 的四只高溫電容并聯(lián)。查閱元器件手冊(cè)，所選高溫電容在-70℃時(shí)，電容容量變化率在-5%左右，在+150℃時(shí)電容容量變化率在-8%左右。因此使用四只高溫電容并聯(lián)在全溫度范圍內(nèi)，輸入電容容量滿足電路要求。

然后，再計(jì)算輸入電容在電路中需要承受的交流紋波電流的有效值。計(jì)算公式如（2）所示：

當(dāng)輸出電壓為3.3V 時(shí)，將輸入電壓4V，輸出電流7A，代入公式（2），可得輸入電容需要承受的交流紋波電流有效值是6.4A。所選用的高溫電容單只允許交流紋波電流的有效值為5A，四只并聯(lián)后為20A，滿足電路中輸入電容需要承受的交流紋波電流的有效值。

最后，由于輸入電容要承受大的紋波電流，必須對(duì)輸入電容的功耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如（3）所示：

所選高溫電容單只等效串聯(lián)電阻為7mΩ，計(jì)算可得所選高溫電容的單只允許功耗為0.125W，四只并聯(lián)為0.5W，滿足電路實(shí)際要求。

2.3.2 輸出電感設(shè)計(jì)

對(duì)于buck 電路，電感電流的變化量與電感量成反比，電感增大，電流變化量減小，反之則增大。通常為了提高效率需要減小電感電流的變化以及減小電感繞組的交流損耗，這就需要增大電感量，但是電感量的增加會(huì)導(dǎo)致輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，同時(shí)較大的電感量不利于減小電源的體積和重量。電路所需的最小電感量計(jì)算公式如（4）所示：

式中I為輸出紋波電流，通常選擇I為輸出電流的40%。當(dāng)輸出電壓為3.3V 時(shí)，將?為300 kHz，最大輸入電壓6.0V，輸出電流7A，代入式（4），計(jì)算可得此時(shí)電路所需最小電感量為1.77μH。

實(shí)際選用的電感感量在1.9uH ～2.3uH 范圍內(nèi)。對(duì)于所選用的電感，在進(jìn)行溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、恒定加速度等環(huán)境試驗(yàn)摸底之后，分別在-70℃、常溫、+150℃條件下測(cè)試電感感量、初始磁導(dǎo)率、飽和磁通密度等特性參數(shù)，測(cè)試結(jié)果均滿足該電源對(duì)電感的要求。

2.3.3 輸出電容設(shè)計(jì)

首先，輸出電容作為儲(chǔ)能元件，目的是保證在任何情況下都維持輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定。其次，輸出電容的另外一個(gè)作用是作為開關(guān)電源輸出端的濾波器件，為高頻開關(guān)頻率的電感紋波電流提供低阻抗流通路徑，因此會(huì)在電容上產(chǎn)生開關(guān)頻率的紋波電壓?？梢酝ㄟ^公式（5）計(jì)算輸出電容的最小電容量。

式中V為輸出紋波電壓，本電路要求輸出紋波電壓為50mV 時(shí)，通過計(jì)算可得本電路所需的最小輸出電容容量是23μF，因此電路選用同上述輸入電容相同型號(hào)的4 只10μF/25V 高溫電容并聯(lián)。

2.3.4 PWM 控制器

鋰電池隔膜生產(chǎn)線工藝運(yùn)行對(duì)環(huán)境溫度要求較嚴(yán)，大部分工段全年要求恒溫恒濕且工藝設(shè)備表面不得結(jié)露，否則會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，保證空調(diào)系統(tǒng)冷凍水的溫度也是保證工藝生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的重要條件。鑒于工藝?yán)鋬鏊彝獠糠至啃∏乙蟛桓?，在設(shè)計(jì)中將工藝與空調(diào)冷凍2個(gè)系統(tǒng)合二為一，冷凍水供水溫度按工藝廠房空調(diào)用水要求設(shè)計(jì)，管線設(shè)置按工藝設(shè)備冷凍用水要求設(shè)計(jì)。這樣既保證了廠房空調(diào)溫度要求,也滿足了工藝設(shè)備冷凍水連續(xù)性的要求。同時(shí)工藝和空調(diào)冷凍機(jī)組互為備用，減少了機(jī)器的備用臺(tái)數(shù)，降低了工程投資，簡(jiǎn)化了運(yùn)行操作。

PWM 控制器是本電路的關(guān)鍵件，在進(jìn)行器件選型時(shí)，器件不僅要在-70℃～+150℃溫度范圍內(nèi)滿足電路的電特性指標(biāo)要求，而且還要滿足抗輻照指標(biāo)要求。

針對(duì)PWM 控制器的寬溫度工作范圍要求，首先，需要確認(rèn)器件在-70℃～+150℃溫度范圍內(nèi)可以進(jìn)行正常工作。其次，在 -70℃、常溫、+150℃條件下，對(duì)所選器件進(jìn)行所有電特性指標(biāo)驗(yàn)證，滿足要求方可選用。

PWM 控制器需要滿足的抗輻照指標(biāo)要求為：總劑量100Krad(Si)，單粒子（燒毀）≥75MeV.cm/mg。針對(duì)抗輻照指標(biāo)要求，芯片研制的關(guān)鍵技術(shù)為：高側(cè)驅(qū)動(dòng)電平位移技術(shù)、耐輻射加固技術(shù)、單粒子加固技術(shù)。采用抗輻照加固技術(shù)研制的PWM 控制器可滿足電路的抗輻照指標(biāo)要求。

綜上所述，本電路的關(guān)鍵件PWM 控制器選用XXX型抗輻射降壓型同步電壓轉(zhuǎn)換器。該器件的過溫保護(hù)點(diǎn)是175℃，抗輻照指標(biāo)為總劑量≥100Krad(Si)，單粒子（燒毀）≥75MeV.cm/mg，滿足電源設(shè)計(jì)要求。

2.4 工藝設(shè)計(jì)

2.4.1 150℃高溫混合集成工藝設(shè)計(jì)

該電路工藝主要包括粘接工藝、焊接工藝、鍵合工藝，經(jīng)分析高溫電源產(chǎn)品的可靠性主要在于各組裝工藝在高溫條件下的可靠性、穩(wěn)定性，包括焊接工藝可靠性、鍵合工藝可靠性。

針對(duì)高溫焊接工藝研究，本電路最高工作溫度為150℃，考慮到電路內(nèi)部熱阻，以及焊接界面的長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性，本電路需選用熔點(diǎn)更高的焊料。

針對(duì)高溫鍵合工藝研究，金鋁鍵合常會(huì)在鍵合區(qū)結(jié)合界面處不可避免地會(huì)形成Au-Al 金屬間化合物和Kirkendall空洞，且隨著產(chǎn)品工藝溫度的升高，Au-Al 金屬間化合物和Kirkendall 空洞的生產(chǎn)速度將加快。根據(jù)電路工藝需求，對(duì)芯片表面的金-鋁鍵合界面（常規(guī)金絲鍵合工藝）和金導(dǎo)體表面的金-鋁鍵合界面（細(xì)鋁絲鍵合工藝）的長(zhǎng)期可靠性進(jìn)行研究，最終確定了最佳的高溫鍵合工藝。為評(píng)價(jià)鍵合的長(zhǎng)期可靠性，對(duì)鍵合后的樣品進(jìn)行300℃ 12h 的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果拉力值均合格，滿足本電路應(yīng)用需求。

2.4.2 -70℃低溫混合集成工藝設(shè)計(jì)

低溫條件下，分子間的運(yùn)動(dòng)緩慢，鉛錫焊接界面、鍵合界面的相互擴(kuò)散較弱，界面穩(wěn)定性較高，可長(zhǎng)期工作。經(jīng)分析，低溫環(huán)境對(duì)電源產(chǎn)品的可靠性主要在于不同材料之間的熱失配，造成的匹配應(yīng)力。因此，在封裝殼體和陶瓷基板選型時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注熱膨脹系數(shù)匹配性。

3 仿真分析及樣件驗(yàn)證

3.1 仿真

通過saber 軟件對(duì)本電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，電路輸出電壓直接取樣反饋、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，滿足穩(wěn)定的電壓輸出要求?？赏ㄟ^外接電阻的改變實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)功能。

仿真得出的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形如圖3(a)、(b)、(c)所示。圖3分別是輸入電壓為4.5V、5V、6V，輸出電壓為3.3V，輸出電流為7A 時(shí)的輸出紋波電壓和開關(guān)節(jié)點(diǎn)PWM 波形圖。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)說明了計(jì)算所得的主要參數(shù)值滿足電路指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

圖3：輸出紋波電壓與開關(guān)節(jié)點(diǎn)PWM 波形圖

3.2 樣件

3.2.1 實(shí)測(cè)關(guān)鍵波形

在上述總體設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用混合集成工藝研制出了樣件，后續(xù)經(jīng)過電路參數(shù)調(diào)試、優(yōu)化，以及電路版圖布局布線優(yōu)化，最終研制出了滿足所有技術(shù)指標(biāo)要求的-70℃～+150℃超寬工作溫度范圍的抗輻射POL 電源樣件。針對(duì)研制出的樣件測(cè)試關(guān)鍵波形如圖4～圖6 所示。

圖4：輸出電壓?jiǎn)?dòng)波形

圖6：負(fù)載躍變波形

當(dāng)輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V，輸出電流7A 時(shí)，樣件輸出電壓?jiǎn)?dòng)波形如圖4 所示。從圖中可以看出，輸出電壓?jiǎn)?dòng)延遲時(shí)間為1.94ms，啟動(dòng)過沖為0mV，符合該樣件設(shè)計(jì)要求。

圖5(a)、(b)、(c)分別是輸入電壓為4.5V、5.0V、6.0V，輸出電壓為3.3V，輸出電流7A 時(shí)的輸出紋波電壓和開關(guān)節(jié)點(diǎn)PWM 波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓為4.5V 時(shí)，輸出紋波電壓為19 mV，開關(guān)節(jié)點(diǎn)高電平為4.5V，占空比為73%；當(dāng)輸入電壓為5.0V 時(shí)，輸出紋波電壓為23 mV，開關(guān)節(jié)點(diǎn)高電壓為5.0V，占空比為66%；當(dāng)輸入電壓為6.0V時(shí)，輸出紋波電壓為30 mV，開關(guān)節(jié)點(diǎn)高電壓為6.0V，占空比為55%，測(cè)試結(jié)果完全符合該樣件工作原理，并滿足樣件設(shè)計(jì)要求。

圖5：輸出紋波電壓與開關(guān)節(jié)點(diǎn)PWM 波形圖

圖6 是輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V 時(shí)負(fù)載階躍波形。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載從3.5A →7A 瞬變時(shí)，輸出電壓變化峰值為-180 mV，輸出電壓恢復(fù)時(shí)間為60μs，當(dāng)負(fù)載從7A →3.5A 瞬變時(shí)，輸出電壓變化峰值是190 mV，輸出電壓恢復(fù)時(shí)間是56μs，滿足樣件設(shè)計(jì)要求。

通過與saber 軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，樣件實(shí)測(cè)波形與仿真波形基本相符，驗(yàn)證了此電路設(shè)計(jì)方案和仿真模型的合理性。

3.2.2 實(shí)測(cè)三溫?cái)?shù)據(jù)

樣件在-70℃低溫、常溫、+150℃高溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。通過與表1 對(duì)比可知，樣件三溫實(shí)測(cè)結(jié)果均達(dá)到了主要技術(shù)指標(biāo)要求。并從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，研制出的-70℃～+150℃超寬工作溫度范圍的抗輻射POL 電源樣件具有效率高、輸出電流大等特點(diǎn)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了電路總體設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性。

表2：主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

對(duì)于電路的抗輻照指標(biāo)：總劑量100Krad(Si)，單粒子（燒毀）≥75MeV.cm/mg。研制出的樣件已進(jìn)行過總劑量和單粒子試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足抗輻照指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種-70℃～+150℃超寬工作溫度范圍的抗輻射POL 電源，分別從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要元器件參數(shù)計(jì)算和選型，高溫和低溫混合集成工藝等方面對(duì)電路總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并通過saber 軟件仿真和樣件實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了電路方案設(shè)計(jì)的合理性和可行性。最后，樣件的三溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該電路滿足技術(shù)指標(biāo)要求，并具有效率高、輸出電流大、負(fù)載調(diào)整度小等特性，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了該電源設(shè)計(jì)的合理性和適用性。