混合微電路H2705T型DC/DC變換器研制

摘要：介紹了H2705T型厚膜集成直流/直流變換器的研制過(guò)程，詳細論述了電路的工作原理、元器件選取、關(guān)鍵問(wèn)題的解決辦法，以及可靠性設計等內容。

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(xiàn)高度表系統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)和嚴格完善的生產(chǎn)管理體系使電路結構和線(xiàn)路設計科學(xué)合理，質(zhì)量性能穩定；

2）開(kāi)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(guò)壓、過(guò)流保護及死區時(shí)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(shù)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(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，只是部分電路參數不同。下面以＋5V單元為例，說(shuō)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，頻率穩定度達0.2％，啟動(dòng)電壓為7.8V，最高工作電壓為30V，具有過(guò)流、欠壓保護及死區時(shí)間控制功能。UC1843各個(gè)引腳功能見(jiàn)表1。

表1 UC1843引腳功能

穩壓環(huán)中，R₁₀₁和R₁₀₂對輸出電壓取樣；IC₁₀₁對輸出取樣進(jìn)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(jīng)過(guò)光耦合，又轉換為誤差電壓，經(jīng)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(shí)現輸出穩壓。

保護電路中，主電路由R₁₁₂進(jìn)行電流取樣，經(jīng)過(guò)R₁₁₀傳給IC₁₀₃的腳3，實(shí)現過(guò)電流保護功能。R₁₀₇，R₁₁₁提供腳3過(guò)電流保護基準電平；V_in經(jīng)過(guò)D₁作用于V₁基極，一旦有過(guò)壓現象發(fā)生，V₁將關(guān)斷集成塊IC_103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作，實(shí)現過(guò)電壓保護功能。

另外，控制端（C_nt）的高低電平，經(jīng)過(guò)R₁作用于V₁的基極，實(shí)現外電路電平控制功能（即C_nt遙控功能）。當C_nt處于高電平或懸空，V₁的基極為高電平，V₁導通，關(guān)斷集成塊IC_103～303（UC1843）的腳7電壓，停止全電路工作。反之，當C_nt處于低電平或接－V_in，V₁不導通，電路輸出正常。

因此，C_nt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－V_in，全電路正常輸出。

2.2 主要技術(shù)指標

主要技術(shù)指標見(jiàn)表2。

表 2 H2705T技 術(shù) 指 標

3 研制過(guò)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(shí)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(jiǎn)單、安裝與調試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，符合混合集成電路對體積的特殊要求。

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(guò)多次實(shí)驗取得。

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。

穩壓環(huán)路中,IC₁₀₂的基準電壓為2.495V，取樣電流依據實(shí)驗數據取得，這兩個(gè)因素決定了R₁₀₁，R₁₀₂的阻值。

過(guò)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(guò)流點(diǎn)，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(guò)流點(diǎn)預設電平（由R₁₀₇，R₁₁₁決定）實(shí)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(xiàn)線(xiàn)徑主要依據流經(jīng)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(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。電阻連同導帶全部用平面厚膜燒結，使電阻阻值、精度、功率和穩定性得到保證。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)的應用，縮小了電路體積，提高了電路的穩定性，增強了可靠性。

3.3 關(guān)鍵問(wèn)題的解決

1）體積、紋波、熱分布與可靠性問(wèn)題

由于在標準封裝基片上進(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，尤其是紋波噪聲和可靠性指標要求高。整個(gè)電路的平面化成了關(guān)鍵的問(wèn)題，具有很大難度，主要采取了以下措施。

（1）在平面布圖過(guò)程中，綜合考慮線(xiàn)路特點(diǎn)、工藝特點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)要求，盡量避免二次導帶和介質(zhì)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(xiàn)，要分線(xiàn)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(guò)熱，留下隱患。

由于嚴格按照以上措施進(jìn)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(wèn)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)指標達不到設計要求，這就需要進(jìn)行電路調試，主要是通過(guò)個(gè)別元器件參數的微調，校正產(chǎn)品技術(shù)參數，達到設計要求，使其成為合格產(chǎn)品。

電路調試技術(shù)要求高，調試過(guò)程復雜，單個(gè)指標的調整，常常會(huì )影響到其它指標。因此，要盡量做到準確、簡(jiǎn)潔，避免重復操作，造成產(chǎn)品損壞。

為了減少和簡(jiǎn)化電路調試，在生產(chǎn)過(guò)程中，要嚴格按工藝操作，避免成膜、貼焊、接線(xiàn)各工序的人為錯誤。并增設檢驗檢測點(diǎn)，消除低級錯誤。制定嚴格詳細的調試技術(shù)細則，針對不同的情況，給出調試方案。

4 結語(yǔ)

該產(chǎn)品采用先進(jìn)的厚膜混合集成電路工藝，電路和結構設計科學(xué)合理，電路性能穩定，根據計算預計其可靠性為105h，處于國內先進(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。