混合微電路H2705T型DC/DC變換器研制
加入技術交流群
摘要：介紹了H2705T型厚膜集成直流/直流變換器的研制過程，詳細論述了電路的工作原理、元器件選取、關鍵問題的解決辦法，以及可靠性設計等內容。
關鍵詞：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，是為某工程的無線高度表系統(tǒng)配套而研制的新型集成組件。產品主要特點如下：
1）采用先進的厚膜混合集成電路工藝，成熟的DC/DC直流變換技術和嚴格完善的生產管理體系使電路結構和線路設計科學合理，質量性能穩(wěn)定；
2）開關頻率高，變換、整流和濾波簡潔高效，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、過流保護及死區(qū)時間控制功能；
4）全金屬電磁屏蔽，小體積結構設計；
5）標準全金屬模塊化封裝，便于安裝固定，散熱性能強，屏蔽性能好，噪聲干擾小。
2 電路原理與主要技術指標
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。產品分為3個單元，每個單元提供一路輸出，各個單元電路相同，只是部分電路參數不同。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制器UC1843，最高工作頻率為500kHz，頻率穩(wěn)定度達0.2％，啟動電壓為7.8V，最高工作電壓為30V，具有過流、欠壓保護及死區(qū)時間控制功能。UC1843各個引腳功能見表1。
表1 UC1843引腳功能
| 引腳 | 符號 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | VPAM | 補償 |
| 2 | VCON | 反饋控制 |
| 3 | ICON | 限流檢測 |
| 4 | RC | 振蕩元件 |
| 5 | GND | 地 |
| 6 | OUT | 調制脈沖輸出 |
| 7 | VCC | 電源 |
| 8 | VREF | 基準電壓 |
穩(wěn)壓環(huán)中，R101和R102對輸出電壓取樣；IC101對輸出取樣進行比較放大，并將比較出的誤差電壓轉換為誤差電流，作用于光電耦合器IC102的內部發(fā)光二極管，經過光耦合，又轉換為誤差電壓，經R104傳給IC103的腳2。IC103的內部根據誤差電壓，校正腳6輸出脈沖寬度，最終實現輸出穩(wěn)壓。
保護電路中，主電路由R112進行電流取樣，經過R110傳給IC103的腳3，實現過電流保護功能。R107，R111提供腳3過電流保護基準電平；Vin經過D1作用于V1基極，一旦有過壓現象發(fā)生，V1將關斷集成塊IC103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作，實現過電壓保護功能。
另外，控制端（Cnt）的高低電平，經過R1作用于V1的基極，實現外電路電平控制功能（即Cnt遙控功能）。當Cnt處于高電平或懸空，V1的基極為高電平，V1導通，關斷集成塊IC103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作。反之，當Cnt處于低電平或接－Vin，V1不導通，電路輸出正常。
因此，Cnt的電平控制功能為：
——高電平或懸空，全電路無輸出；
——低電平或接－Vin，全電路正常輸出。
2.2 主要技術指標
主要技術指標見表2。
表 2 H2705T技 術 指 標
| 參數 | 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 | |
| 電壓調整率 | SV/％ | 0.3 | Io滿載，Vin=18～36 V | |
| 負載調整率 | SI/％ | 0.4 | Vin=27 V，Io從0—滿載 | |
| 效率 | η/％ | 80 | — | 滿載 |
3 研制過程
3.1 電路參數選取
電路參數的選取，主要依據計算數據和實驗數據。
UC1843脈寬調制器的選取，主要是考慮該器件屬于單端電流型PWM調制器，具有管腳數量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良等優(yōu)點，符合混合集成電路對體積的特殊要求。
啟動電阻、電容取值，要綜合考慮啟動所需能量、時間和輸入電壓范圍，保證可靠啟動，并經過多次實驗取得。
振蕩電阻、電容，決定整個電路的工作頻率，屬于關鍵元件。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值。
磁性材料根據高頻、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的基準電壓為2.495V，取樣電流依據實驗數據取得，這兩個因素決定了R101，R102的阻值。
過電流保護取樣電阻的取值，主要依據設計效率，由輸出功率換算出主電路電流，制定適當的過流點，計算取樣電阻值。為了提高效率，可減小電阻的取值，并利用過流點預設電平（由R107，R111決定）實現精確保護。
變壓器匝數設計的依據一是變換效率，二是輸入、輸出電壓，三是調制器安全工作脈寬范圍。漆包線線徑主要依據流經功率或電流選取，一般按2.5A/mm2左右計算。
輸入欠壓保護由變壓器自饋電繞組匝數決定。
3.2 全電路平面厚膜化及混合集成
本產品元器件繁多，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。產品體積51mm×51mm×13mm。電阻連同導帶全部用平面厚膜燒結，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。
厚膜技術的應用，縮小了電路體積，提高了電路的穩(wěn)定性，增強了可靠性。
3.3 關鍵問題的解決
1）體積、紋波、熱分布與可靠性問題
由于在標準封裝基片上進行二次集成，其有效面積47mm×47mm，而整個電路包括近140個元器件，整體指標，尤其是紋波噪聲和可靠性指標要求高。整個電路的平面化成了關鍵的問題，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、工藝特點，適合批量生產要求，盡量避免二次導帶和介質布圖；還要考慮元器件尺寸、布局，精密計算電阻功耗，適當制定電阻導帶面積，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。
由于嚴格按照以上措施進行工作，使紋波噪聲和可靠性指標，達到了要求。
2）電路調試問題
DC/DC電路生產工藝完成后，會有部分產品的部分技術指標達不到設計要求，這就需要進行電路調試，主要是通過個別元器件參數的微調，校正產品技術參數，達到設計要求，使其成為合格產品。
電路調試技術要求高，調試過程復雜，單個指標的調整，常常會影響到其它指標。因此，要盡量做到準確、簡潔，避免重復操作，造成產品損壞。
為了減少和簡化電路調試，在生產過程中，要嚴格按工藝操作，避免成膜、貼焊、接線各工序的人為錯誤。并增設檢驗檢測點，消除低級錯誤。制定嚴格詳細的調試技術細則，針對不同的情況，給出調試方案。
4 結語
該產品采用先進的厚膜混合集成電路工藝，電路和結構設計科學合理，電路性能穩(wěn)定，根據計算預計其可靠性為105h，處于國內先進水平。
厚膜混合微電路電源模塊H2705T的研制成功，推動了厚膜混合集成電路技術的進步，拓寬了厚膜混合集成電路技術的應用領域，為以后基于特殊高密度大功率電路的研制提供了借鑒。
評論