一种宽范围输入厚膜混合集成DC/DC变换器

王波,曲阳,张馨少

摘要：针对市场对国产化电源模块需求的不断提高。本文介绍了一款具有宽范围的全国产化混合集成DC/DC变换器的设计方案，包括电路设计、外型结构及关键问题的解决等。

关键词：宽范围；国产化；混合集成；

1. 概述

近年来随着航空航天领域的拓展，对电源模块也提出了更多新的要求，希望体积越来越小，重量越来越轻、性能越来越好、可靠性越来越高[1-2]。对采用厚膜混合集成电路工艺制造的高密度、高可靠性、国产化电源模块的需求尤为突出。根据市场需求为整机定制配套研制开发一款16V～40V的输入电压隔离转换为+12V/2A输出电压的全国产化DC/DC变换器。

2. 主要性能指标及外形尺寸

2.1主要性能指标

1)输入电压范围（VIN）:+28V(16V～40V)

2)输出电压范围（VOUT）:+12V(11.88V～12.12V)

3)输出电流：2A

4)输出功率（PD）:24W

5)效率：η≥80%

6)电压调整度：SV≤80mV，负载调整度：SI≤80mV

7)输出纹波电压（VP-P）≤100mV

8)输入/输出隔离

9)具有短路保护功能

10)外形尺寸：50.70mm×34.50mm×10.50mm

3. 设计原理与技术难点、关键问题解决

3.1结构设计

该产品采用双列直插式金属外壳，平行缝焊工艺。材料选用可伐合金（4J29），热膨胀系数接近7ppm／℃，满足水汽含量的要求，提高气密性。表面有镀镍层用于防盐雾，引线镀金，玻璃绝缘子隔离的平行缝焊外壳。

3.2工艺设计

该电路采用我公司成熟的厚膜混合集成电路成膜工艺和厚膜混合集成电路装配工艺制造。将集成电路、MOS管、三极管、二极管等裸芯片和电阻、电容等无源元件组装在导热性能良好的成膜基板上，成膜基板用高温环氧粘接在双列直插式金属外壳底座上，采用平行缝焊密封封装工艺，成品经过筛选、测试等工序，满足了产品的各项性能指标要求。

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。贯军标生产线完全满足该产品的工艺要求。

3.3电路设计方案

客户要求研制的产品输入电压范围为16V～40V,输出电压为+12V，输出电流为2A。电路设计遵循简单可靠、体积小、重量轻、转换效率高的原则，在全面满足项目提出的性能指标的前提下，产品的高可靠性、优良的抗振能力、必要的降额设计及良好的热设计思想贯穿于整个设计中，保证了产品的高可靠性。产品的设计基于选用器件全部国产化思路，确保产品自主可控，对我国国防建设具有重大意义。

根据要求确定该产品的设计原理，采用单端正激式电路模式，是将+28V输入电压转换为+12V电压输出。原理图见图1。

该电路采用单端正激式拓扑，用光耦合隔离              反馈来实现设计要求。电源电路控制电路芯片选            图1原理图            用国内生产的同功能器件，该控制器具有高速、低损耗等特点，其内部集成了固定频率电流模式控制的离线式和DC/DC变换器所需要的控制和驱动电路，与同类的芯片相比，它主要应用于电流型单端变换器的控制。其内部采用了全周期软启动和前沿电压尖峰消隐技术，精度高、电压稳定、外围电路简单。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也有明显的改善，PWM控制电路主要由电流型脉宽调制器组成，调制器最大工作频率为1MHz，最大输出占空比为100%，正常工作时参考电压为5V，它是整个设计的核心部分；电流检测电路的设计，从开关电源的安全性和可靠性方面考虑，为了避免由于操作错误或者负载故障造成电源短路，需要对输出电流加以限制。一般限流的方法是在PWM控制芯片内完成的，检测到的电流采样值首先转换成电压信号，电压信号输出送到 PWM的限流引脚与内部阀值比较。电流采样方法一般采用的是峰值电流采样，电流检测电路的实现方法主要有两种：电阻检测和电流互感器检测。电阻检测的特点是电路简单，精度不高，损耗大，适合应用在中小功率开关电源中。电流互感器检测的特点是电气隔离，精度高，损耗小，体积大，适合应用在大功率开关电源中；采样反馈电路，主要由稳压器和光电耦合器组成，稳压器参考电压为2.49V，当输出电压VO发生变化时，R12、R13两个取样电压也发生变化，此电压输入基准源是N3A，与N3A内部的基准电压相比较，经过高倍误差放大，转换为电流，作用于光耦N2，再经N2内部隔离反馈，通过改变PWM调制器N1的脉宽，调整功率开关管的导通占空比，从而达到闭环控制、稳定输出电压的过程。

3.4关键技术难题解决

3.4.1高温低端启动短时间啸叫问题

高温测试时，发现产品在高温低端启动时有短时间啸叫，通过大量试验，观察波形，发现高温低端启动5S内波形震荡，导致产品短时间啸叫。经反复调试发现为了方便优化版图将原电流互感器更换为匝比相同、体积较小的国产互感器后采样电阻必须由3K更改为10K，问题得以解决，三温均正常输出。

3.4.2国产化率问题

目前产品中所用元器件已经实现全国产化，将美国TI公司生产的脉宽调制器、三端稳压器替换为国产的脉宽调制器、三端稳压器。全国产化产品组装完成后，需要进行验证实验。

经过全面电性能测试，发现产品出现轻微振荡现象。经分析，脉宽调制器和三端稳压器组成产品的反馈环路，由于国外器件和国内器件的反馈环路参数不匹配，反馈环路不稳定，而导致产品出现振荡现象，需对反馈环路参数进行调整。对于脉宽调制器CS端进行斜坡补偿，调整斜率参数；对于三端稳压器，进行补偿网络参数调整。最终使反馈环路稳定，消除产品振荡现象，满足各项指标要求。

3.4.3基准源偏差问题

该DC/DC变换器中的基准源是国内设计生产的。该器件功能对应国外的三端稳压器，在实际电路替换运用中也需要进行适当调整。该国产基准源的抗电磁干扰能力略差一些，电路中需要增加振荡谐波吸收电容，抑制反馈环路中的杂波干扰，保证产品三温状态下正常工作。产品测试过程尽可能盖上盖板，消除光干扰造成的输出电压精度偏差。试制样品时发现国产基准源的温度稳定性较差，尤其是低温状态漂移过大，造成部分产品输出电压超出下线范围，和设计制造商反馈了这个问题，后续供应的器件温度稳定性有明显提升，唯一的好处就是该器件的温度漂移范围基本是固定的，前期测试合格的器件，封壳筛选后还没有发现明显偏移的，最终采用封前封后硬性筛选剔除方式，解决基准源偏差的问题，保证用户的正常使用。

4. 经济性评估

在设计、研制、试验及批产过程中，始终本着满足高质量的基础上，尽可能降低各项成本，在实施价值工程工作过程中，在满足技术指标的前提下提高元器件的加工工艺性，降低成本。尽量采用通用、标准、成熟元器件的品种和规格，以便于采购和生产的顺利进行。通过以上实施该产品具有较好的经济性。

5. 试验结果

根据以上设计完成后，进行了测试以及一系列试验，来测试产品性能指标、质量一致性及可靠性[4]，包括恒定加速度、热冲击、耐湿盐雾、稳态寿命等。稳态寿命条件：TC=+125℃,1000h，寿命前后产品测试指标对比。

由以上试验数据得出，电源在满负载状态时，电压调整率、负载调整率及输出纹波均满足要求，功率可达24W。该产品具有良好的性能，达到了设计目标。

6. 结论

该DC/DC变换器已定型，经西安赛宝工业技术研究院鉴定检验合格。并经用户测试与使用，各项指标满足用户使用要求，得到了用户的认可。目前该产品质量稳定可靠且已经开始批量生产，可正常大批量供货，可在其他领域进行广泛推广，具有一定的应用前景。

参考文献

[1]刘凤君.开关电源设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2014

[2]方佩敏,张国华.最新集成电路应用指南[M].北京：电子工业出版社,1996