混合微電路H2705T型DC/DC變換器研制
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摘要：介紹了H2705T型厚膜集成直流/直流變換器的研制過程，詳細(xì)論述了電路的工作原理、元器件選取、關(guān)鍵問題的解決辦法，以及可靠性設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；厚膜集成；混合電路
1 引言
混合微電路H2705T型DC/DC變換器，是為某工程的無(wú)線高度表系統(tǒng)配套而研制的新型集成組件。產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：
1）采用先進(jìn)的厚膜混合集成電路工藝，成熟的DC/DC直流變換技術(shù)和嚴(yán)格完善的生產(chǎn)管理體系使電路結(jié)構(gòu)和線路設(shè)計(jì)科學(xué)合理，質(zhì)量性能穩(wěn)定；
2）開關(guān)頻率高，變換、整流和濾波簡(jiǎn)潔高效，紋波干擾小，多路輸出，分路控制，微功耗；
3）輸入范圍寬（18～36V），并具有欠壓、過壓、過流保護(hù)及死區(qū)時(shí)間控制功能；
4）全金屬電磁屏蔽，小體積結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
5）標(biāo)準(zhǔn)全金屬模塊化封裝，便于安裝固定，散熱性能強(qiáng)，屏蔽性能好，噪聲干擾小。
2 電路原理與主要技術(shù)指標(biāo)
2.1 電路原理圖
電路原理圖如圖1所示。H2705T，輸出±5V和＋8V，功率為20W。產(chǎn)品分為3個(gè)單元，每個(gè)單元提供一路輸出，各個(gè)單元電路相同，只是部分電路參數(shù)不同。下面以＋5V單元為例，說明其工作原理。
圖1 H2705T電路原理圖
本電路核心為單端脈寬調(diào)制器UC1843，最高工作頻率為500kHz，頻率穩(wěn)定度達(dá)0.2％，啟動(dòng)電壓為7.8V，最高工作電壓為30V，具有過流、欠壓保護(hù)及死區(qū)時(shí)間控制功能。UC1843各個(gè)引腳功能見表1。
表1 UC1843引腳功能
| 引腳 | 符號(hào) | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | VPAM | 補(bǔ)償 |
| 2 | VCON | 反饋控制 |
| 3 | ICON | 限流檢測(cè) |
| 4 | RC | 振蕩元件 |
| 5 | GND | 地 |
| 6 | OUT | 調(diào)制脈沖輸出 |
| 7 | VCC | 電源 |
| 8 | VREF | 基準(zhǔn)電壓 |
穩(wěn)壓環(huán)中，R101和R102對(duì)輸出電壓取樣；IC101對(duì)輸出取樣進(jìn)行比較放大，并將比較出的誤差電壓轉(zhuǎn)換為誤差電流，作用于光電耦合器IC102的內(nèi)部發(fā)光二極管，經(jīng)過光耦合，又轉(zhuǎn)換為誤差電壓，經(jīng)R104傳給IC103的腳2。IC103的內(nèi)部根據(jù)誤差電壓，校正腳6輸出脈沖寬度，最終實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。
保護(hù)電路中，主電路由R112進(jìn)行電流取樣，經(jīng)過R110傳給IC103的腳3，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)功能。R107，R111提供腳3過電流保護(hù)基準(zhǔn)電平；Vin經(jīng)過D1作用于V1基極，一旦有過壓現(xiàn)象發(fā)生，V1將關(guān)斷集成塊IC103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作，實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)功能。
另外，控制端（Cnt）的高低電平，經(jīng)過R1作用于V1的基極，實(shí)現(xiàn)外電路電平控制功能（即Cnt遙控功能）。當(dāng)Cnt處于高電平或懸空，V1的基極為高電平，V1導(dǎo)通，關(guān)斷集成塊IC103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作。反之，當(dāng)Cnt處于低電平或接－Vin，V1不導(dǎo)通，電路輸出正常。
因此，Cnt的電平控制功能為：
——高電平或懸空，全電路無(wú)輸出；
——低電平或接－Vin，全電路正常輸出。
2.2 主要技術(shù)指標(biāo)
主要技術(shù)指標(biāo)見表2。
表 2 H2705T技 術(shù) 指 標(biāo)
| 參數(shù) | 最小 | 最大 | 條件 | |
|---|---|---|---|---|
| 輸出電壓 | Vo1/V | 4.8 | 5.2 | Io1=3 A |
| 輸出電壓 | Vo2/V | 7.68 | 8.32 | Io2=250 mA |
| 輸出電壓 | Vo3/V | －4.8 | －5.2 | Io3=200 mA |
| 紋波 | Vp_p/mV | 30 | 滿載 | |
| 電壓調(diào)整率 | SV/％ | 0.3 | Io滿載，Vin=18～36 V | |
| 負(fù)載調(diào)整率 | SI/％ | 0.4 | Vin=27 V，Io從0—滿載 | |
| 效率 | η/％ | 80 | — | 滿載 |
3 研制過程
3.1 電路參數(shù)選取
電路參數(shù)的選取，主要依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
UC1843脈寬調(diào)制器的選取，主要是考慮該器件屬于單端電流型PWM調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，符合混合集成電路對(duì)體積的特殊要求。
啟動(dòng)電阻、電容取值，要綜合考慮啟動(dòng)所需能量、時(shí)間和輸入電壓范圍，保證可靠啟動(dòng)，并經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)取得。
振蕩電阻、電容，決定整個(gè)電路的工作頻率，屬于關(guān)鍵元件。其中，電容采用高精度NPO電容，電阻用高穩(wěn)定性漿料。電阻最小值為1kΩ，電容最大值為0.1μF，頻率f≈1.8/RC。為了減小體積，頻率盡量提高到400kHz左右。綜合這些因素，即可得到電阻電容的數(shù)值。
磁性材料根據(jù)高頻、高效、小體積、大功率的要求，并留有一定的功率余量，各路輸出選取不同的磁芯。
穩(wěn)壓環(huán)路中,IC102的基準(zhǔn)電壓為2.495V，取樣電流依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得，這兩個(gè)因素決定了R101，R102的阻值。
過電流保護(hù)取樣電阻的取值，主要依據(jù)設(shè)計(jì)效率，由輸出功率換算出主電路電流，制定適當(dāng)?shù)倪^流點(diǎn)，計(jì)算取樣電阻值。為了提高效率，可減小電阻的取值，并利用過流點(diǎn)預(yù)設(shè)電平（由R107，R111決定）實(shí)現(xiàn)精確保護(hù)。
變壓器匝數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)一是變換效率，二是輸入、輸出電壓，三是調(diào)制器安全工作脈寬范圍。漆包線線徑主要依據(jù)流經(jīng)功率或電流選取，一般按2.5A/mm2左右計(jì)算。
輸入欠壓保護(hù)由變壓器自饋電繞組匝數(shù)決定。
3.2 全電路平面厚膜化及混合集成
本產(chǎn)品元器件繁多，共有電阻78只，集成電路9塊，三極管4只，二極管13只，電容31只，電感3只，變壓器3只。產(chǎn)品體積51mm×51mm×13mm。電阻連同導(dǎo)帶全部用平面厚膜燒結(jié)，使電阻阻值、精度、功率和穩(wěn)定性得到保證。集成電路、三極管、二極管和電容采用表面貼裝元器件，電感和變壓器采用小型磁環(huán)繞制。
厚膜技術(shù)的應(yīng)用，縮小了電路體積，提高了電路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了可靠性。
3.3 關(guān)鍵問題的解決
1）體積、紋波、熱分布與可靠性問題
由于在標(biāo)準(zhǔn)封裝基片上進(jìn)行二次集成，其有效面積47mm×47mm，而整個(gè)電路包括近140個(gè)元器件，整體指標(biāo)，尤其是紋波噪聲和可靠性指標(biāo)要求高。整個(gè)電路的平面化成了關(guān)鍵的問題，具有很大難度，主要采取了以下措施。
（1）在平面布圖過程中，綜合考慮線路特點(diǎn)、工藝特點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)要求，盡量避免二次導(dǎo)帶和介質(zhì)布圖；還要考慮元器件尺寸、布局，精密計(jì)算電阻功耗，適當(dāng)制定電阻導(dǎo)帶面積，盡量縮小布圖面積，合理分布元器件的平面及空間布局，充分利用基片的每一塊面積，最終完成總體布圖。
（2）大、小電流的地線，要分線布圖，集中接地；按次序排列元器件去向，避免相互干擾；接近輸出端取樣，保證輸出穩(wěn)壓精度和負(fù)載特性。
（3）盡量保證大功率發(fā)熱器件緊貼基板或外殼，合理均勻分布熱源，避免熱源集中，局部過熱，留下隱患。
由于嚴(yán)格按照以上措施進(jìn)行工作，使紋波噪聲和可靠性指標(biāo)，達(dá)到了要求。
2）電路調(diào)試問題
DC/DC電路生產(chǎn)工藝完成后，會(huì)有部分產(chǎn)品的部分技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這就需要進(jìn)行電路調(diào)試，主要是通過個(gè)別元器件參數(shù)的微調(diào)，校正產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使其成為合格產(chǎn)品。
電路調(diào)試技術(shù)要求高，調(diào)試過程復(fù)雜，單個(gè)指標(biāo)的調(diào)整，常常會(huì)影響到其它指標(biāo)。因此，要盡量做到準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔，避免重復(fù)操作，造成產(chǎn)品損壞。
為了減少和簡(jiǎn)化電路調(diào)試，在生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格按工藝操作，避免成膜、貼焊、接線各工序的人為錯(cuò)誤。并增設(shè)檢驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)，消除低級(jí)錯(cuò)誤。制定嚴(yán)格詳細(xì)的調(diào)試技術(shù)細(xì)則，針對(duì)不同的情況，給出調(diào)試方案。
4 結(jié)語(yǔ)
該產(chǎn)品采用先進(jìn)的厚膜混合集成電路工藝，電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，電路性能穩(wěn)定，根據(jù)計(jì)算預(yù)計(jì)其可靠性為105h，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
厚膜混合微電路電源模塊H2705T的研制成功，推動(dòng)了厚膜混合集成電路技術(shù)的進(jìn)步，拓寬了厚膜混合集成電路技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為以后基于特殊高密度大功率電路的研制提供了借鑒。
評(píng)論