高可靠混合集成DC/DC變換器（5V/3A）的設(shè)計(jì)

1引言

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，電子設(shè)備趨向小型化，供電方式由集中供電向分布式供電發(fā)展，DC/DC變換器的需求越來越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了更高的要求。采用混合集成電路的形式既能使電路小型化又能達(dá)到高可靠性，是當(dāng)今乃至今后高可靠DC/DC變換器的發(fā)展方向。

HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器，采用厚膜工藝、磁隔離方式進(jìn)行混合集成，封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同。

2電路方案

2．1主要技術(shù)指標(biāo)

HB2805S15的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1主要技術(shù)指標(biāo)

DC/DC拓?fù)漕愋椭饕校航祲盒?Buck)、升壓型(Boost)、反相型(Buck－Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零電壓（ZVS）零電流（ZCS）型。中小功率的DC/DC電源變換器一般采用單端正激型和雙端推挽型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

單端正激型結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，雙端推挽型是將兩個(gè)單端正激型合并，變壓器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了單端正激的不利因素。

反饋隔離方式有光電隔離和脈沖變壓器隔離。光電耦合器受溫度的影響大，頻帶窄；脈沖變壓器隔離的溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，頻帶寬，是高可靠DC/DC電源變換器優(yōu)先采用的方式。

本電路采用雙端推挽變壓器隔離反饋式，原理圖如圖1。

圖1雙端推挽變壓器隔離反饋原理圖

圖2推挽式變換器電路及其相關(guān)波形

2．3電路工作原理

雙端推挽DC/DC變換器的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如圖2所示。

開關(guān)管Q1，Q2在PWM控制器的控制下交替導(dǎo)通，將變壓器的初級(jí)電流和電壓傳遞到次級(jí)，經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓，調(diào)節(jié)Q1，Q2的導(dǎo)通/截止時(shí)間，可改變輸出電壓。雙端推挽DC/DC變換器的輸出電壓可表示為：VO=DVi(1)

式中：VO——輸出電壓，V；

Vi——輸入電壓，V；

D——整流管的占空比；

Np——變壓器初級(jí)匝數(shù)，匝；

Ns——變壓器次級(jí)匝數(shù)，匝。

3電路設(shè)計(jì)

3．1主要元器件

DC/DC變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制器PWM、變壓器、隔離反饋電路以及開關(guān)管和整流管。HB2805S15的PWM選用UC1825A，隔離放大器選用UC1901，變壓器和電感選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

UC1825A是電壓／電流型PWM控制器，輸出峰值電流2A，開關(guān)頻率可達(dá)到1MHz，誤差放大器的單位增益帶寬12MHz，具有逐個(gè)脈沖電流限制，軟起動(dòng)和最大占空比可設(shè)置，可用于雙端推挽DC/DC變換器。

UC1901隔離放大器是一個(gè)脈沖幅度調(diào)制（AM）電路，它包括基準(zhǔn)源、誤差放大器、振蕩器、乘法器，最高振蕩頻率5MHz。

PC40系列是TDK公司的產(chǎn)品，其導(dǎo)磁率高，高頻損耗小。

3．2開關(guān)頻率定時(shí)元件計(jì)算

開關(guān)頻率高，元器件的開關(guān)損耗大，影響效率η；開關(guān)頻率低不利于小型化，經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，開關(guān)頻率定為300kHz。UC1825A的定時(shí)元件電阻和電容由式（2）和（3）計(jì)算確定：RT=(2)CT=(3)

式中：RT——定時(shí)電阻，Ω；

CT——定時(shí)電容，F(xiàn)；

Dmax——最大占空比；

f——開關(guān)頻率，Hz。

3．3元器件設(shè)計(jì)

（1）變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器是DC/DC變換器的重要元件，主要技術(shù)參數(shù)是初次級(jí)匝數(shù)比(n=Np／Ns)和初次級(jí)的電感量（Lp，Ls）。變壓器的初級(jí)匝數(shù)和次級(jí)匝數(shù)由下式得到：Np≥(4)Ns=(5)

式中：Vimax——最大輸入電壓，V；

Vimin——最小輸入電壓，V；

Bm——飽和磁通密度，T；

Ae——磁芯截面積，m2；

VF——整流管正向壓降，V；

VO——輸出電壓，V。

（2）輸出部分的設(shè)計(jì)

輸出部分主要是輸出電感L和輸出電容C構(gòu)成的LC低通網(wǎng)絡(luò)，電感量和電容值由下式求得：L≥(6)

式中：ΔIL——電感脈動(dòng)電流（一般取值ΔIL=(10％

～25％）IOmax），A；

Dmin——最小占空比。C≥（F）(7)

式中：ΔVOmax——輸出最高紋波電壓，V。

（3）開關(guān)管和整流管

開關(guān)管的最大電流IPmax由下式求得：IPmax=(IOmax＋)＋I(xiàn)M(8)

式中：IM——?jiǎng)?lì)磁電流，A；

IOmax——變壓器最大輸出電流，A；

開關(guān)管耐壓VB：

VB≥2Vi(9)

整流管的最大峰值電流IFM：IFM≥IOmax＋(10)

整流管的反向截止電壓VRR：VRR≥2即：VRR≥2Vimax(11)

本電路輸出電壓低電流大，選用肖特基整流管。

4可靠性設(shè)計(jì)

主要對(duì)電路中的功率元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)和版圖的熱設(shè)計(jì)。

4．1功率元器件的降額設(shè)計(jì)

由3．3節(jié)中的設(shè)計(jì)公式計(jì)算出各元器件的實(shí)際要求數(shù)值，按降額等級(jí)（Ⅰ級(jí)）選取元器件。

（1）磁性元件的設(shè)計(jì)

變壓器和濾波電感是DC/DC變換器的主要發(fā)熱源，承載著很大的功率，本電路選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

PC40材料的主要參數(shù)：

導(dǎo)磁率μ=2300

居里溫度Tc≥215℃

飽和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)

Bs=3900Gas(100℃)

電路設(shè)計(jì)中變壓器磁通密度的實(shí)際取值是Bs=1600Gas，達(dá)到Ⅰ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)。

（2）整流管

肖特基二極管是以多數(shù)載流子工作的整流器件，具有很好的開關(guān)特性，它的正向壓降（VF）小，且隨溫度的升高而降低，可降低整流管導(dǎo)通損耗，有利于提高輸出電壓低時(shí)的電路效率。

本電路的輸出電壓5V，輸出電流3A，因此選用肖特基10TQ045，它的最大電流（IFRM）10A，反向重復(fù)峰值電壓（VRRM）45V，符合Ⅰ級(jí)降額標(biāo)準(zhǔn)。

（3）開關(guān)管

功率MOSFET具有開關(guān)速度快，損耗低，驅(qū)動(dòng)電流小，無二次擊穿現(xiàn)象，過載能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于高頻開關(guān)電源。

當(dāng)輸入電壓為低壓18V時(shí)，流過開關(guān)管的峰值電流取IP=3A；輸入為最高電壓36V時(shí)，源漏電壓VDS=2×36＋V尖峰（V尖峰是由變壓器漏感產(chǎn)生的）。

選用IRF630，最大漏極電流ID=9A，VDS耐壓200V，符合Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)。

4．2版圖的熱設(shè)計(jì)

減小熱阻，提高效率，電路的可靠性才能提高。電路的發(fā)熱元器件主要是開關(guān)管(MOSFET)、變壓器、整流管和電感等，設(shè)計(jì)上從三個(gè)方面采取了措施：

（1）在版圖上合理分布熱源，將以上元器件分開擺放；

（2）采用新工藝，減小熱阻，開關(guān)管、整流管采用再流焊工藝，粗鋁絲壓焊，變壓器、電感器和基片采用導(dǎo)熱膠粘接；

（3）基片材料選用高導(dǎo)熱率的基片，增加熱傳導(dǎo)。

5工藝技術(shù)

電路采用厚膜交叉布線工藝、導(dǎo)帶雙層金加厚工藝，焊接區(qū)設(shè)計(jì)為鈀銀（PaAg）加厚。采用MQ10—10全金屬縫焊平行封裝，它的氣密性好，封裝時(shí)不產(chǎn)生金屬異物，PIND通過率高于錫封焊，可靠性高。

版圖設(shè)計(jì)時(shí)充分要考慮組裝工藝，合理的版圖設(shè)計(jì)可減小深腔組裝的技術(shù)難度。

變壓器和電感器是DC/DC變換器的重要元件，繞制時(shí)嚴(yán)格控制匝數(shù)和電感量，保證誤差在一定的范圍，滿足電路的要求。

6研制結(jié)果

高可靠混合集成HB2805S15DC/DC變換器完成了研制，并進(jìn)行了批量的生產(chǎn)，通過了質(zhì)量一致性考核（例試）實(shí)驗(yàn)。電路的測試數(shù)據(jù)見表2，表3列出了電路實(shí)際達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。

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圖3電路（滿載）加電和（滿載）斷電時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

(a)加電（Vi=0→28VVO=5VIO=3A）

(b)斷電（Vi=28V→0V）

圖4電路的輸出電壓紋波噪聲

表2HB2805S159911批測試數(shù)據(jù)

7結(jié)語

通過HB2805S15的研制，掌握了混合集成DC/DC變換器電路設(shè)計(jì)技術(shù)，相繼研制開發(fā)5W系列、15W系列、30W系列、70W系列約15個(gè)品種的高可靠混合集成DC/DC電源變換器。