一种F/I流量转换器电路的研制

曹艳 郭李彤 邢变丽

摘要：文中针对一种厚膜混合集成F/I流量转换器电路进行了理论分析，详细介绍了电路的设计原理、结构，及关键技术攻关情况，并进一步论证了F/I流量转换器电路批产化和高可靠的设计原则，同时也对该行业优势及其发展方向进行了相关探讨。

关键词：厚膜混合集成；F/I流量转换器电路；产品可靠性

1 引言

厚膜混合集成F/I流量转换器电路的研制成功，能够使精度高、线性度好的传感器系统所用流量转换器部分能够系列化、通用化和标准化，不仅能满足现有传感器系统的应用要求，还可广泛应用于各种新型飞机的传感器系统，同时，还可以用于航天某型号导弹用传感器上。它是传感器系统的关键配套电路模块。

2 产品描述和分析

2.1 主要技术指标

产品的主要技术指标如下：

1）工作温度：-55℃～+125℃；

2）工作电压：4.8V～5.2V；

3）零位输出电流：I₀=4mA；

4）最大输出电流：I_MAX=20mA；

5）输出电流精度：2%；

6）外形尺寸：长Ⅹ宽Ⅹ高≤33.00Ⅹ28.70Ⅹ5.80mm³。

2.2 产品设计原理

根据以上设计条件，我们确立了这种F/I流量转换器电路的研制方案。整个电路由选频放大电路﹑整流电路﹑振荡电路﹑滤波电路﹑电压比较器和功率输出，六部分电路组成。电路的工作原理是：首先，将流量传感器的频率输入信号，通过选频放大电路，对此信号进行选频放大后，输出初步需要的信号，再经过整流电路，输出同频率的方波信号，为振荡电路提供输入。方波信号经过振荡电路处理后，再经滤波电路，滤除杂波信号，得到所需要的信号，再经过电压比较电路后输出，驱动功率MOS管，从而实现频率与电流的线性变换关系。

2.3 产品特点

1）产品灵敏度高、精度高、指标一致性好、性能稳定；

2）信号传输过程中的失真小、线性度高；

3）产品工作稳定，电性能指标的高低温偏差很小；

4）体积小、重量轻、可靠性高；

5）全金属密封结构封装，抗耐湿、防盐雾，同时具有很好的抗噪声、抗干扰能力；

6）双列直插，可插拔性能好，使用方便。

3 研制过程中的关键技术攻关

我们在这种F/I流量转换器电路的研制过程中，主要解决的关键技术难题，是产品的零位输出电流及其国产化问题。

1.零位输出电流

产品的零位输出电流，理论上，可以通过调零电路，精确将其调至3.96～4.04mA之间，但在我们进行电路实验的过程中，零位输出电流最低只能调至4.4mA，反复调整电路参数，改变相关电容电阻值，均无法使该指标满足协议要求。

我们从电路第一级开始，逐级测试该电流值，逐步进行分析计算。通过大量实验和分析测试数据，发现产品的零位电流较大，主要原因是选用的三端稳压器78L05功耗较大引起。

因此，我们对三端稳压器进行重新选型。通过查阅相关资料，对器件参数参照对比，再进行反复试验调试，确定LP2950ACZ-5.0可以满足电路要求，用它替代之前的78L05，零位输出电流可精确调至3.96～4.04mA之间，完全满足电路指标要求。

2.国产化率的问题

1）集成电路、二极管、三级管芯片（进口）

根据产品的功能要求，目前国内的集成电路、二极管、三级管芯片无法满足电路性能，所以选用进口器件来实现产品性能指标。主要元器件生产厂家是国际知名企业，具有成熟的生产工艺，规模化的生产能力，其产品质量可靠且为通用常规器件，不存在禁用，供货稳定，故风险很低。

2）主功率MOS管芯片（国产）

产品所使用的主功率MOS管UCEL230ST芯片，属于国产裸芯片。性能可靠，供货稳定。

3）片式电容器（国产）

产品所使用的片式电容器，均由国内知名生产厂家供货。其生产工艺成熟，批生产能力已规模化。

4）厚膜电阻（国产）

产品所使用的电阻，均采用厚膜印刷电阻，然后对其进行激光调阻，其精度高、可靠性高，工作稳定。

5）外壳（国产）

金属外壳由国内具有合格资质的厂家提供，属于国产器件。

4 研制过程中主要解决的关键工艺技术

这种F/I流量转换器在研制过程中主要解决的关键工艺技术问题，就是外观结构和厚膜混合集成工艺。

1）金属封装结构工艺

采用全金属封装结构工艺，具有良好的电磁屏蔽效果。20个引脚，标注1脚标识，防误插损伤设计，保证了产品使用。

2）厚膜混合集成工艺

采用厚膜混合集成工艺，电容、裸芯片粘接后进行金丝压焊，有效地缩小了产品的体积。由于产品的体积小、印刷导体线条密集，导带细、线间距小，所以增加了印刷的难度，为了防止印刷时不同层间的错位，专门设计了几个印刷定位点，避免了用肉眼观察导体间相对位置造成的误差，保证了印刷时导体位置的准确性和不同层间导体衔接的良好性，减小了误差，同时提高了产品的可靠性。

5 产品可靠性情况

5.1 实施依据

GJB450A-2004 《装备可靠性工作通用要求》

GJB2438-2002 《混合集成电路通用规范》

5.2 可靠性分配与设计

5.2.1 可靠性预计

可靠性设计贯穿于整个产品设计的始终。在线路设计方面、元器件选用方面我们做了综合考虑，简化线路，减少元器件数量，对元器件性能的余量设计均做了综合考虑。根据GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的相关规定，我们对产品的可靠性进行了理论计算和预计。

根据电路所包含的电子元器件及膜电阻（集成电路5只、膜电阻25只、片电容10只、MOS管2只、二极管5只）予以计算分析(其中N表示元器件个数)，得到产品平均故障间隔时间为10.7万小时。

5.2.2 可靠性设计

对这种F/I流量转换器电路的可靠性设计，主要有以下几个方面：

1） 电路设计选用电路简洁，已成熟的功能电路；

2） 元器件方面，选用质量稳定，工作温度范围宽的元器件；

3） 热设计方面，产品本身无大电流，自壳体散热；

4） 元器件及壳体采用阻燃材料保证产品安全。

6 电磁兼容性情况

我们在布图时，对元器件进行合理布局，尽量将相互关联的元器件摆放在一起，以避免因器件离得太远而造成印刷线过长所带来的干扰；

尽量减少导体交叉布线，同时信号输入线与输出线避免排在一起造成干扰；

将绝大部分器件组装到96%的AL₂O₃陶瓷基板上，散热性好，以避免元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰；

主要部分电路的封装结构采用全金属封装，屏蔽性好，防止外界环境对电路造成干扰。

7 经济效益预测

F/I流量转换器的研制成功具有良好的经济效益。该产品具有灵敏度高、精度高、线性度好、性能稳定，全金属屏蔽封壳等特点，可为用户节约大量的调试时间，提高工作效率。该产品适合批量生产，用户试用情况良好，具有广阔的应用前景。

该产品的成品率和合格率都比较高，由于用户对产品的质量要求越来越高，在以后产品生产和售后服务中，巨大的质量风险成本会越来越高。所以只有不断提高服务和质量意识，适当提高产品售价，扩大销售数量，才能提高经济效益。当然，我们还将进一步加强管理、降低成本、减少废品损失，稳定生产经营，保证产品的合理收益。

8 结束语

在后续的生产过程中，我们需要加强生产组装过程中的工艺控制，，不断提高产品的合格率。力求为客户整机提供更稳定、更可靠的产品，按照低功耗、小型化、批产化和高可靠的设计原则，持续地满足客户在F/I流量转换器上不断发展的需求是我们的努力方向。

参考文献

1. 童诗白 《模拟电子技术基础》北京：高等教育出版社，2010

2. 方佩敏 《最新集成电路应用指南》北京：电子工业出版社，1996