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)

2）主變壓器的磁芯選擇

此電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使其在＋125℃高溫中穩(wěn)定可靠地工作。此電源的體積要求為30mm× 20mm×8mm，由于體積的限制所以主變壓器磁芯的尺寸選擇也不可能過(guò)大。因此以下二點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

——提高工作頻率，此電源的工作頻率設(shè)定為400kHz左右；

——優(yōu)選主變壓器磁芯，優(yōu)選原則如下。

①飽和磁通密度Bs（mT）要高（>500）；

②剩磁Br（mT）要?。?00）；

③居里點(diǎn)Qc（℃）要高（>200）；

④電阻率ρ（Ω·cm）要高（>600）；

⑤磁導(dǎo)率（通常大磁場(chǎng)下振幅磁導(dǎo)率或交直流疊加下增量磁導(dǎo)率）要適當(dāng)?shù)馗撸?gt;2 000）；

⑥磁芯損耗Pc（mW/cm3）要?。?00），最關(guān)鍵的是要求其具有負(fù)溫度系數(shù)，以利于高溫穩(wěn)定工作。

眾所周知在高頻與高磁通密度下，磁芯總損耗Pc為

Pc=kfmBn（7）

式中：k——常數(shù)；

f——工作開(kāi)關(guān)頻率；

B——工作磁通密度；

n——指數(shù)，對(duì)于功率鐵氧體材料，典型值為25；

m——指數(shù)，在f=10～100kHz時(shí)，應(yīng)考慮渦流損耗，此時(shí)m=1.3，當(dāng)頻率提高到100kHz上時(shí)，m要增大。

由式（7）可見(jiàn)，提高工作磁通密度，磁芯損耗將以25次方增加引起變壓器升溫，因此變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁芯損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率，磁芯損耗也要相應(yīng)增加，所以在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁芯損耗200mW/cm3是一個(gè)適宜的限制值。在規(guī)定的磁芯損耗下，提高工作頻率必須相應(yīng)降低工作磁通密度值。

3）磁芯的尺寸考慮

眾所周知，磁芯有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國(guó)西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達(dá)式為

P=CfΔBJFCUSaSe（8）

式中：C—與變換器工作方式有關(guān)的常數(shù)，如推挽式C=1；單端正激式，C=0.71；單端反激式，C=0.61。

J—電流密度；

FCU—銅占因子；

Sa—窗口面積；

Se—磁芯有效載面積。

功率變壓器磁芯形狀應(yīng)考慮大電流引出線及散熱容易，對(duì)高頻變壓器還應(yīng)考慮屏蔽，防止雜散磁場(chǎng)干擾。關(guān)于磁芯損耗（PC）與溫升的關(guān)系，可用式（9）表示。

PC=ΔT/Rth（9）

式中:ΔT—磁芯溫升；

Rth—熱阻。

降低熱阻可提高磁芯的功率承受能力；而熱阻又近似地與磁芯表面積成反比。因此在磁芯形狀設(shè)計(jì)中加大背部或外翼尺寸，將它變寬變薄，使暴露的鐵氧體面積增大，可以降低熱阻。

4）單端正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器計(jì)算

單端正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器與反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯都是單向激磁，要求磁芯脈沖磁感應(yīng)增量大。但是變壓器初級(jí)工作次級(jí)也同時(shí)工作，因此，計(jì)算方法和步驟又與雙極性開(kāi)關(guān)電源變壓器接近。

初級(jí)繞組匝數(shù)N1計(jì)算式為N1=×10－2(10)

式中：Vp1——變壓器輸入額定電壓幅值，此電源標(biāo)稱電壓值為27V；

ton——開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，此電源設(shè)定為1μs；

ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量，此電源設(shè)定為0.2T；

Ac——磁芯截面積，所選磁材為PC40EPC10—Z，其截面積為9.39×10－2cm2。

按上述所選值求得N1=13。次級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算在此不再贅述。

5）各二極管的選擇

在一般軍品電源中，整流二極管都選擇肖特基二極管，因其具有低壓降和超高速的雙重優(yōu)點(diǎn)。但是，此電源設(shè)計(jì)工作溫度為＋125℃（長(zhǎng)期），＋150℃（短期），已經(jīng)接近肖特基二極管的容許結(jié)溫，因此肖特基二極管在此電源中無(wú)法使用，只能選擇硅二極管。選擇的主要參數(shù)為：最大峰值工作電流Ifsm>0.5A，反向電壓Vrrm>100V，反向恢復(fù)時(shí)間trr50ns。這樣才能保證電源在要求的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。

4電源的生產(chǎn)工藝與全面質(zhì)量管理

生產(chǎn)工藝采用先進(jìn)的厚膜混合集成生產(chǎn)工藝。厚膜電路的優(yōu)點(diǎn)主要是無(wú)源元件的參數(shù)范圍廣，精度較高，性能穩(wěn)定可靠，元件間絕緣良好，高頻特性好，易于制造出高壓、大電流和大功率電路，電路設(shè)計(jì)靈活性大，可多層布線。由厚膜生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出無(wú)源元件和半導(dǎo)體技術(shù)制作的IC，MSI，LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成電路，可進(jìn)一步提高集成度和實(shí)現(xiàn)多功能化。此特種電源從元器件采購(gòu)、元器件入廠篩選，再到我廠的貫軍標(biāo)厚膜生產(chǎn)線生產(chǎn)的全過(guò)程實(shí)施全程管理，全程化生產(chǎn)工藝控制，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，此電源現(xiàn)已使用到了國(guó)家軍工重點(diǎn)工程上，并得到了使用廠家的好評(píng)。

5結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、此特種電源的原則和注意事項(xiàng)，尤其是將可靠性提高到了應(yīng)有的高度，使大家認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的可靠性不但是生產(chǎn)出來(lái)的，而且更重要是設(shè)計(jì)出來(lái)的。此觀點(diǎn)和本文所提出的原則和注意事項(xiàng)不但可以應(yīng)用到電源設(shè)計(jì)上，而且也可以應(yīng)用到任何種類的電子產(chǎn)品的研制生產(chǎn)當(dāng)中去。