高可靠性與超寬環(huán)境溫度的混合集成DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

摘要：電源，特別是在國(guó)防上應(yīng)用的電源，由于其環(huán)境條件的惡劣，從而對(duì)電源性能的要求也愈來愈嚴(yán)格。介紹一種作者為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)軍品項(xiàng)目開發(fā)、研制的，具有超寬工作環(huán)境溫度（－60℃～＋125℃，150℃短時(shí)間工作3min）和高可靠性、高頻率的厚膜混合集成DC/DC電源變換器，并提出設(shè)計(jì)此特種電源所要遵守的原則及注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：高可靠性；超寬環(huán)境溫度；特種電源；開關(guān)電源DesignProceduresofHybridIntegrated DC/DCConverterwith

HighReliabilityandSuperwideAmbientTemperature

WANGQigangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhighreliabilityandhighfrequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuperwideoperatingambienttemperature isfrom－60℃to＋125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Superwideambienttemperature;Specificpower supply;Switchingpowersupply中圖分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219－ 2713(2002)10－0539－05

1引言

近年來電源設(shè)備日趨復(fù)雜，元器件的品種和數(shù)量增加很快，使用環(huán)境也變得惡劣多樣，而所服務(wù)的電子系統(tǒng)又越來越重要和昂貴，特別是軍用裝備，尤其是航空、航天上的元器件及系統(tǒng)可靠性的要求就更高了。開關(guān)電源向著高頻、高可靠、低耗，低噪聲、抗干擾和模塊化的方向發(fā)展，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。采用厚膜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。本文介紹一種作者為我國(guó)重點(diǎn)軍品項(xiàng)目研制、開發(fā)、生產(chǎn)的高可靠、超寬工作環(huán)境溫度（－60℃～＋125℃）的特種厚膜化電源。并提出研究此特種電源所要遵守的原則及注意事項(xiàng)，尤其是圍繞此特種電源進(jìn)行的可靠性設(shè)計(jì)。

此厚膜混合集成化電源YH12D12的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）輸入電壓18～36V。

2）輸出電壓±（12±0.5）V。

3）輸入電壓調(diào)整率1.5％。

4）輸出電壓溫度系數(shù)0.025％/℃。

5）最大輸出電流±70mA。

6）工作環(huán)境溫度－60℃～125℃。

7）環(huán)境老化要求低溫－55℃，高溫＋125℃。

8）溫度循環(huán)－55℃～125℃，5次。

9）高溫功率老化125℃、96h，150℃、3min。

10）機(jī)械沖擊試驗(yàn)恒定加速度49000m/s2，1min。

11）振動(dòng)試驗(yàn)0～2000kHz。

12）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度為功能試驗(yàn)

0.07g2/Hz，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)0.09g2/Hz。

13）外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊。

2可靠性設(shè)計(jì)

21可靠性的定義

國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。由于故障出現(xiàn)的隨機(jī)性質(zhì)，用數(shù)學(xué)方式來描述可靠性，常用“概率”來表示。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

如系統(tǒng)在開始（t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，則可靠性R(t)=0R(t)1（1）失效率λ(t)=－()（2）

（λ的單位為FITS=10－9失效/h）

λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數(shù)，則=－λt（3）

n=n0e－λt（4）

R(t)=e－λt0t工作壽命（5）MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=（6）

涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所列。

表1整機(jī)出現(xiàn)故障的原因故障原因占總失效數(shù)的百分比/％
設(shè)計(jì)上的原因元器件質(zhì)量上的原因操作和維護(hù)上的原因制造上的原因40302010
在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問題80％源于設(shè)計(jì)方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）?？傊瑢?duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性引為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。

此特種電源的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于在有限的空間內(nèi)（電源小型化要求）制造出能夠在125℃ 環(huán)境溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠工作的DC/DC電源。而電源產(chǎn)品不可避免地要消耗能量使自身發(fā)熱。一般來說，如果電源具有輸出功率在1～2W之間，且多路輸出（雙路以上），并且要求輸出隔離等特點(diǎn)，則此類電源的最高效率僅為65％左右，即就是說要有近一半的能量消耗在電源自身，使電源發(fā)熱。

元器件實(shí)際工作中的負(fù)荷率與失效率之間存在著直接的關(guān)系。因而，元器件的類型，數(shù)值確定以后，應(yīng)從可靠性的角度來選擇元器件必須滿足的額定值，如元器件的額定功率、額定電壓、額定電流等。

22環(huán)境溫度及負(fù)荷率對(duì)可靠性的影響

從以下的資料可以看到，元器件的環(huán)境溫度和使用負(fù)荷對(duì)于可靠性的影響是如何巨大。

1）半導(dǎo)體器件（含各種集成電路和二極管、三極管）

例如硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)（PD：使用功率，PR：額定功率），則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響，如表2所列。

表2環(huán)境溫度對(duì)半器件可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]500250015000
由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。

環(huán)境溫度Ta=50℃，PD/PR對(duì)失效率的影響如表3所列。

表3PD/PR對(duì)硅半導(dǎo)體器件失效率的影響PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10－9h]3050150700250070002000070000
由表3可知，當(dāng)PD/Pn=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍以上。

為了提高產(chǎn)品的可靠性，抵消由于＋125℃高溫環(huán)境所引起的失效率的增加，此類特種電源的硅半導(dǎo)體器件和FET器件的使用負(fù)荷設(shè)定小于0.1。

2）電容器（以固體鉭電容器為例）

以UD/UR=0.6設(shè)計(jì)（UD：使用電壓，UR：額定電壓），則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表 4所列。

圖1元器件失效率的盆底曲線