高可靠DC／DC變換器模塊設計

0 引言

目前，在高端電子設備領(lǐng)域，高等級的DC／DC電源模塊主要還是依賴(lài)國外進(jìn)口，因此，盡快實(shí)現高質(zhì)量等級DC／DC電源模塊國產(chǎn)化迫在眉睫。本文以一種質(zhì)量等級為H級的DC／DC電源模塊的設計為例，從電路、工藝等方面詳細介紹了H級DC／DC電源模塊的設計思想。

1 模塊主要指標

該DC／DC電源模塊是為整機配套使用的。其要求的輸入電壓為20～35V，輸出電壓為10～10．1V／10～10．2 V(－55℃～＋125CIC)、5～－5．1V／5～－5．2 V(一55℃～＋125℃)，負載調整率和電壓調整率均小于1％，輸出紋波電壓小于40 Mv

2 電路設計

2．1 非平衡雙路功率電壓輸出設計

在DC／DC變換器設計中，對于兩路輸出功率不相等的模塊來(lái)說(shuō)，其設計主要有兩種方法：一是采用變壓器繞組，并利用耦合電感和低壓穩壓電路進(jìn)行二次穩壓方法。二是采用變壓器次級多繞組來(lái)分別輸出兩路相對獨立的電壓。其中方法一雖然可以提高電路的穩定度，保證輸出電壓的精度，但是會(huì )增加電路的損耗，因為二次穩壓電路的輸入和輸出電壓差越小，穩壓電路功耗就越小，而該項目?jì)陕份敵龉β氏嗖詈艽?分別為55W和2．5 W)，主路功率變化范圍也較大。而若采用方法二，又由于反饋只能控制一路電壓，所以只能有一路輸出電壓的精度得到保證，另一路電壓只能靠變壓器和濾波電感預穩，而主路輸出功率變化較大又必然帶來(lái)輔路變壓器次級電壓的較大變化，因而無(wú)法保證輸出電壓的精度。為此，本設計采用兩路輸出來(lái)分別獨立地控制和反饋，這樣既可以精確控制輸出電壓，又可以減小因二次穩壓帶來(lái)的損耗。

2．2變壓器的設計

設計變壓器時(shí)，應首先合理選擇磁芯材料。磁芯材料需考慮的最主要因數是它在工作頻率處的損耗和應用磁通密度。確定了模塊工作頻率后．即可根據制造商提供的手冊確定材料的具體型號，然后查出模塊在最?lèi)毫邮褂铆h(huán)境條件下的磁通飽和密度，再由此確定使用最大磁通密度，以保證變壓器始終不會(huì )工作在飽和點(diǎn)，提高模塊的可靠性。

如果設定的工作頻率為500 kHz，通過(guò)手冊可以查到：TDK公司的PC40，PC95系列以及SIEMENS公司的N67系列都可以滿(mǎn)足要求。確定了具體的磁芯型號、形狀和尺寸后，便可以查到該型號在125℃時(shí)的磁通飽和密度Bs，然后根據降額設計選擇最大磁通密度為0．2Bs，在確定BMAX后，就可以根據下式計算出變壓器的原邊匝數：

式中，Kf為波形系數(方波時(shí)為4)，為開(kāi)關(guān)頻率(Hz)；Ae是磁芯有效面積(m2)，BMAX為磁通密度(T)，Vi為輸入電壓(V)，Np為原邊匝數。

由原邊匝數便可計算出變壓器的副邊匝數：

式中，Np為副邊匝數，ViIN為原邊最小輸人電壓。由于和變壓器相關(guān)的損耗主要有磁滯、渦流和電阻損耗。磁滯損耗與繞組的匝數有關(guān)。它決定了每個(gè)工作周期磁場(chǎng)力所作的功。該損耗可以由下式給出：

式中，Kh瓦為材料的磁滯損耗常數，Vc是磁芯體積，單位cm3，fSW為開(kāi)關(guān)頻率，單位為Hz，BMAX是最大工作磁通密度，單位T。

由(3)式所見(jiàn)，損耗與開(kāi)關(guān)頻率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在設計時(shí)，應在優(yōu)選具有高導磁率、高頻損耗小的磁芯作變壓器磁芯的前提下，還要合理設定BMAX，并通過(guò)合理設計匝數來(lái)減小變壓器的磁滯損耗。

2．3反饋補償電路的設計

眾所周知，負反饋環(huán)是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，它保持輸出電壓的恒定主要是通過(guò)采用誤差放大器來(lái)減小輸出電壓與理想參考電壓的誤差，從而實(shí)現這一功能的。由于實(shí)際應用中存在負載變化和輸入電壓變化，所以要求誤差放大器對這些變化能有快速響應，并且不會(huì )因此產(chǎn)生振蕩而造成整個(gè)系統的不穩定。

設計誤差放大器補償電路應遵循以下原則：首先在所有增益大于0dB的頻率處，其閉環(huán)相位應不超過(guò)－360°，在實(shí)際設計中，一般選擇小于300°；其次，閉環(huán)增益的穿越頻率盡可能高，直流增益盡可能大，這樣有利于提高系統的調節精度和瞬態(tài)響應；最后，閉環(huán)增益曲線(xiàn)的斜率應以－20Db／dec下降。

由于不同電源采用的控制方式不同，相應的補償方式也不同，本文采用電流型控制方式，采用的補償方式為極點(diǎn)一零點(diǎn)補償。其電路如圖1所示。這種補償方法在直流處有一個(gè)極點(diǎn)，可通過(guò)提高誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益來(lái)改善輸出調節性能。在輸出濾波器最低極點(diǎn)頻率或以下處引入一個(gè)零點(diǎn)，可以補償濾波器極點(diǎn)引起的相位滯后。

由于采用兩路輸出分別獨立控制和反饋的電路比較復雜，組裝密度較高，所以，引線(xiàn)之間、引線(xiàn)和元器件之間、引線(xiàn)與機殼之間的干擾必然增大；另外，該電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，各單元電路之間因有脈動(dòng)電流和噪聲，因此容易通過(guò)電源內阻、引線(xiàn)等公共阻抗形成耦合噪聲。

設計時(shí)首先可在電路中增設濾波環(huán)節來(lái)抑制耦合噪聲，另外可在導線(xiàn)布局上盡量減小公共阻抗，合理設置接地點(diǎn)，并減小電源內阻來(lái)降低噪聲，同時(shí)可將信號線(xiàn)與噪聲源及流過(guò)脈動(dòng)電流的引線(xiàn)分離，以減弱耦合噪聲。

其次應在設計中盡可能降低噪聲的產(chǎn)生。開(kāi)關(guān)二極管反向恢復時(shí)間里引起的短路尖峰電流是造成模塊噪聲的主要原因。該設計時(shí)可采用反向恢復時(shí)間較快的肖特基二極管，并根據具體輸出情況合理選型，適當降額設計也可較好的抑制噪聲。對于高頻變壓器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，可在模塊設計中采用去耦和屏蔽的方法來(lái)降低干擾。該模塊的輸出紋波峰峰值小于40 mV。

3 產(chǎn)品的可靠性設計

由于要求該產(chǎn)品的質(zhì)量等級為H級，因此，產(chǎn)品不僅要通過(guò)鑒定QCI檢驗，還要通過(guò)QML檢驗。試驗條件按GJB548A－96和GJB2438A－2002要求進(jìn)行。QML的主要試驗條件如表1所列。

由表1可見(jiàn)，本產(chǎn)品所經(jīng)受的試驗相當嚴酷。由于要求產(chǎn)品在全溫范圍(－55℃～＋125℃)內長(cháng)期可靠地工作，所以，無(wú)論從電路設計還是工藝結構上，都要考慮到可靠性設計。

3．1 可靠性?xún)?yōu)化設計

首先，從設計上考慮，電路結構要盡量簡(jiǎn)化，既要實(shí)現電路性能，又要簡(jiǎn)化元器件的品種與數量，減小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次，初步設計完成后還要采用可靠性綜合分析軟件進(jìn)行分析和驗證，發(fā)現不足之處，再進(jìn)行改進(jìn)和提高。最后合理設計各項參數，使產(chǎn)品工作在最佳狀態(tài)。

3．2 降額設計

元器件的電應力包括電流應力及電壓應力。元器件的降額設計能有效提高產(chǎn)品的可靠性。降額系數一般為0．5～0．8倍。如輸入電壓為1 6～40V，采用的輸入電容器的額定電壓為50V，且應具有2．5倍的耐壓能力；輸出電壓為5V，采用的整流二極管反向耐壓為45 V；輸出電壓為10 V，所選用的整流二極管的反向耐壓為100 V等。

3．3 熱設計

由于DC／DC變換器為功率模塊，產(chǎn)品又要在125℃下長(cháng)期可靠工作，因此，熱設計至關(guān)重要。設計時(shí)可采用熱分析軟件及紅外熱像儀進(jìn)行分析、設計、改進(jìn)。其具體技術(shù)措施如下：

(1)輸入／輸出濾波回路可采用可靠性較高的片狀獨石電容器來(lái)取代傳統的鉭電容，以避免鉭電容在高溫下失效；

(2)盡量提高產(chǎn)品的效率?？蛇x用低功耗的元器件，變壓器的合理化設計可有效減小產(chǎn)品的內部功耗，同時(shí)減少產(chǎn)品的溫升。產(chǎn)品在小型化設計時(shí)，在布局上，熱源要均勻分布(如VMOS管、整流管等熱源)，以避免熱量集中于產(chǎn)品的某一局部；

(3)熱源與基片、基片與外殼間要充分地接觸，可采用載流焊方式，而不要采用粘接方式，這樣可減少熱阻，避免產(chǎn)品的熱積累；

3．4 工藝上的可靠性設計

為了滿(mǎn)足產(chǎn)品各種應力試驗的要求，可通過(guò)以下幾方面來(lái)進(jìn)行工藝設計：

(1)工藝上可采用厚膜多層布線(xiàn)工藝，布線(xiàn)層數在三層以上，線(xiàn)寬與線(xiàn)間距可在200μm，電路中的電阻一般應選用膜層電阻，并采用激光修調技術(shù)使阻值達到電路設計要求。

(2)由于該產(chǎn)品是高殼溫(125℃)產(chǎn)品，水汽含量的控制是一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)對相關(guān)設備的改造和工藝研究，以及對真空烘烤工藝參數進(jìn)行的反復實(shí)驗，可以得到合適的數據，以有效地控制封口時(shí)的氣氛，使水氣含量小于5000 pm；氧含量小于2000 pm，從而確保產(chǎn)品長(cháng)期使用的可靠性。

(3)在DC／DC變換器的內部結構中，基板與外殼、基板與元器件之間均存在一定的溫度應力。為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的H級要求，需對應力集中點(diǎn)和抗機械強度進(jìn)行分析。通過(guò)基板表面金屬化設計和對基板表面膜層厚度進(jìn)行控制，基板與底座之間可以滿(mǎn)足上述應力條件。通過(guò)對相關(guān)元器件的合理選型以及對體積較大器件采用合理的焊接工藝，也可有效地解決元件與基板之間的粘接強度問(wèn)題。 在DC／DC變換器的內部結構中，體積最大、重量最重的元器件就是變壓器和電感，由于其磁性材料脆性大、易碎，它與A12O3基板之間的熱膨脹系數相差也較大，因此，在設計上，內部結構可采用基板對稱(chēng)分布，來(lái)把變壓器和電感直接粘接在底座上。這樣一來(lái)可避免溫度應力帶來(lái)的開(kāi)裂；二來(lái)可縮小基片面積，從而避免在基板局部形成不平衡的重力點(diǎn)而導致基板在機械沖擊中開(kāi)裂：三來(lái)也對變壓器的散熱有好處。

(4)通過(guò)選用合適的導電膠和環(huán)氧膠，以便對工藝參數、操作程序和各種膠與粘接元件之間的匹配特性進(jìn)行研究和優(yōu)化，也可以達到高可靠粘接的目的；例如針對變壓器來(lái)說(shuō)，選用一種合適的粘接膠來(lái)粘接變壓器，不僅會(huì )有一定的抗拉強度，還具備一定的韌性，其溫度特性與磁罐材料相匹配也能確保磁罐在溫度循環(huán)中不開(kāi)裂。

(5)優(yōu)化焊接和鍵合技術(shù)。應對不同型號的焊膏，焊錫絲的組成成分、強度特性和溫度系數進(jìn)行對比和分析，以確定最佳的焊接材料，從而確保焊接元件的高可靠性；對25μm Au和200μmA1絲工藝進(jìn)行試驗，可以確定以固化，同時(shí)也可以避免金鋁絲鍵合的失效。

4 驗證結果

目前，該產(chǎn)品已順利通過(guò)信息產(chǎn)業(yè)部五所的直接QML檢驗，并已通過(guò)鑒定。其產(chǎn)品的主要技術(shù)指標和實(shí)測指標比較如表2所列。

5 結束語(yǔ)

本文從電路、工藝和可靠性設計等方面詳細介紹了H級DC／DC電源模塊的設計思想，以期對同類(lèi)產(chǎn)品的設計起到借鑒的作用。