高可靠性與超寬環(huán)境溫度的混合集成DC/DC變換器的設計

摘要：電源，特別是在國防上應用的電源，由于其環(huán)境條件的惡劣，從而對電源性能的要求也愈來(lái)愈嚴格。介紹一種作者為國家級重點(diǎn)軍品項目開(kāi)發(fā)、研制的，具有超寬工作環(huán)境溫度（－60℃～＋125℃，150℃短時(shí)間工作3min）和高可靠性、高頻率的厚膜混合集成DC/DC電源變換器，并提出設計此特種電源所要遵守的原則及注意事項。關(guān)鍵詞：高可靠性；超寬環(huán)境溫度；特種電源；開(kāi)關(guān)電源DesignProceduresofHybridIntegrated DC/DCConverterwith

HighReliabilityandSuperwideAmbientTemperature

WANGQigangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhighreliabilityandhighfrequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuperwideoperatingambienttemperature isfrom－60℃to＋125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Superwideambienttemperature;Specificpower supply;Switchingpowersupply中圖分類(lèi)號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219－ 2713(2002)10－0539－05

1引言

近年來(lái)電源設備日趨復雜，元器件的品種和數量增加很快，使用環(huán)境也變得惡劣多樣，而所服務(wù)的電子系統又越來(lái)越重要和昂貴，特別是軍用裝備，尤其是航空、航天上的元器件及系統可靠性的要求就更高了。開(kāi)關(guān)電源向著(zhù)高頻、高可靠、低耗，低噪聲、抗干擾和模塊化的方向發(fā)展，供電方式由集中供電向分布式供電發(fā)展。DC/DC變換器的需求越來(lái)越大，同時(shí)對可靠性提出了更高的要求。采用厚膜混合集成電路的形式既能使電路小型化又能達到高可靠性。本文介紹一種作者為我國重點(diǎn)軍品項目研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的高可靠、超寬工作環(huán)境溫度（－60℃～＋125℃）的特種厚膜化電源。并提出研究此特種電源所要遵守的原則及注意事項，尤其是圍繞此特種電源進(jìn)行的可靠性設計。

此厚膜混合集成化電源YH12D12的主要技術(shù)指標如下：

1）輸入電壓18～36V。

2）輸出電壓±（12±0.5）V。

3）輸入電壓調整率1.5％。

4）輸出電壓溫度系數0.025％/℃。

5）最大輸出電流±70mA。

6）工作環(huán)境溫度－60℃～125℃。

7）環(huán)境老化要求低溫－55℃，高溫＋125℃。

8）溫度循環(huán)－55℃～125℃，5次。

9）高溫功率老化125℃、96h，150℃、3min。

10）機械沖擊試驗恒定加速度49000m/s2，1min。

11）振動(dòng)試驗0～2000kHz。

12）隨機振動(dòng)試驗功率譜密度為功能試驗

0.07g2/Hz，結構試驗0.09g2/Hz。

13）外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊。

2可靠性設計

21可靠性的定義

國際上，通用的可靠性定義為：在規定環(huán)境條件下和規定的時(shí)間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統，也適用于一臺設備或一個(gè)單元。由于故障出現的隨機性質(zhì)，用數學(xué)方式來(lái)描述可靠性，常用“概率”來(lái)表示。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定環(huán)境條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的概率。

如系統在開(kāi)始（t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，則可靠性R(t)=0R(t)1（1）失效率λ(t)=－()（2）

（λ的單位為FITS=10－9失效/h）

λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內的故障數，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數，則=－λt（3）

n=n0e－λt（4）

R(t)=e－λt0t工作壽命（5）MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=（6）

涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計對于可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實(shí)驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所列。

表1整機出現故障的原因故障原因占總失效數的百分比/％
設計上的原因元器件質(zhì)量上的原因操作和維護上的原因制造上的原因40302010
在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統計資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設計方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級別的確定，元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）?？傊?，對系統的設計者而言，需明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統的可靠性引為重要的技術(shù)指標，認真對待可靠性的設計工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統和產(chǎn)品達到穩定、優(yōu)質(zhì)的目標。

此特種電源的主要設計難點(diǎn)在于在有限的空間內（電源小型化要求）制造出能夠在125℃ 環(huán)境溫度下長(cháng)期穩定、可靠工作的DC/DC電源。而電源產(chǎn)品不可避免地要消耗能量使自身發(fā)熱。一般來(lái)說(shuō)，如果電源具有輸出功率在1～2W之間，且多路輸出（雙路以上），并且要求輸出隔離等特點(diǎn)，則此類(lèi)電源的最高效率僅為65％左右，即就是說(shuō)要有近一半的能量消耗在電源自身，使電源發(fā)熱。

元器件實(shí)際工作中的負荷率與失效率之間存在著(zhù)直接的關(guān)系。因而，元器件的類(lèi)型，數值確定以后，應從可靠性的角度來(lái)選擇元器件必須滿(mǎn)足的額定值，如元器件的額定功率、額定電壓、額定電流等。

22環(huán)境溫度及負荷率對可靠性的影響

從以下的資料可以看到，元器件的環(huán)境溫度和使用負荷對于可靠性的影響是如何巨大。

1）半導體器件（含各種集成電路和二極管、三極管）

例如硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計（PD：使用功率，PR：額定功率），則環(huán)境溫度對可靠性的影響，如表2所列。

表2環(huán)境溫度對半器件可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]500250015000
由表2可知，當環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。

環(huán)境溫度Ta=50℃，PD/PR對失效率的影響如表3所列。

表3PD/PR對硅半導體器件失效率的影響PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10－9h]3050150700250070002000070000
由表3可知，當PD/Pn=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍以上。

為了提高產(chǎn)品的可靠性，抵消由于＋125℃高溫環(huán)境所引起的失效率的增加，此類(lèi)特種電源的硅半導體器件和FET器件的使用負荷設定小于0.1。

2）電容器（以固體鉭電容器為例）

以UD/UR=0.6設計（UD：使用電壓，UR：額定電壓），則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表 4所列。

圖1元器件失效率的盆底曲線(xiàn)