高可靠性與超寬環(huán)境溫度的混合集成DC/DC變換器的

HighReliabilityandSuper?wideAmbientTemperature

WANGQi?gangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhigh?reliabilityandhigh?frequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuper?wideoperatingambienttemperature isfrom－60℃to＋125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Super?wideambienttemperature;Specificpower supply;Switchingpowersupply中圖分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219－ 2713(2002)10－0539－05

1引言

近年來(lái)電源設(shè)備日趨復(fù)雜，元器件的品種和數(shù)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(tǒng)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(tǒng)可靠性的要求就更高了。開關(guān)電源向著高頻、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(duì)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(dá)到高可靠性。本文介紹一種作者為我國(guó)重點(diǎn)軍品項(xiàng)目研制、開發(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(xiàng)，尤其是圍繞此特種電源進(jìn)行的可靠性設(shè)計(jì)。

此厚膜混合集成化電源YH12D12的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）輸入電壓18～36V。

2）輸出電壓±（12±0.5）V。

3）輸入電壓調(diào)整率1.5％。

4）輸出電壓溫度系數(shù)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(jī)械沖擊試驗(yàn)恒定加速度49000m/s2，1min。

11）振動(dòng)試驗(yàn)0～2000kHz。

12）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度為功能試驗(yàn)

0.07g2/Hz，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)0.09g2/Hz。

13）外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊。

2可靠性設(shè)計(jì)

2?1可靠性的定義

國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。由于故障出現(xiàn)的隨機(jī)性質(zhì)，用數(shù)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(tǒng)在規(guī)定環(huán)境條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

如系統(tǒng)在開始（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)=0?R(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(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數(shù)，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(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所列。

表1整機(jī)出現(xiàn)故障的原因故障原因占總失效數(shù)的百分比/％
設(shè)計(jì)上的原因元器件質(zhì)量上的原因操作和維護(hù)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(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設(shè)計(jì)方面。（日本把元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性引為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。

此特種電源的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于在有限的空間內(nèi)（電源小型化要求）制造出能夠在125℃ 環(huán)境溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)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(fù)荷率與失效率之間存在著直接的關(guān)系。因而，元器件的類型，數(shù)值確定以后，應(yīng)從可靠性的角度來(lái)選擇元器件必須滿足的額定值，如元器件的額定功率、額定電壓、額定電流等。

2?2環(huán)境溫度及負(fù)荷率對(duì)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(fù)荷對(duì)于可靠性的影響是如何巨大。

1）半導(dǎo)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(fù)荷設(shè)計(jì)（PD：使用功率，PR：額定功率），則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響，如表2所列。

表2環(huán)境溫度對(duì)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(dāng)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(duì)失效率的影響如表3所列。

表3PD/PR對(duì)硅半導(dǎo)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(dāng)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，此類特種電源的硅半導(dǎo)體器件和FET器件的使用負(fù)荷設(shè)定小于0.1。

2）電容器（以固體鉭電容器為例）

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

圖1元器件失效率的盆底曲線

表4環(huán)境溫度對(duì)電容器可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]52570
由表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。

英國(guó)曾發(fā)表電容器失效率λ正比于工作電壓的5次方的資料，稱為“五次定律”，即λ ∝U5。

當(dāng)U=UR/2，

λ=λR/25=λR/32(λR為額定失效率)

即電容器工作電壓降低到額定值的50％時(shí)，失效率可以減小32倍之多。

3）碳膜電阻器

以PD/PR=0.5設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表5所列。

表5環(huán)境溫度對(duì)碳膜電阻器可靠性的影響環(huán)境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/109h]124
由表5可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。

碳膜電阻器使用于軍品的數(shù)據(jù)如表6所列。

表6PD/PR對(duì)碳膜電阻器失效率的影響PD/PR00.20.40.60.81.0
失效率λ[1/109h]0.250.51.22.54.07.0
由表6可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

2?3失效率曲線

元器件失效率的盆底曲線如圖1所示。

失效率λ與工作時(shí)間的關(guān)系為

1）早期失效期

λ高但迅速下降，差的元器件在短期工作后失效，可用篩選老化來(lái)淘汰早期失效的元器件。

2）有效工作期

λ低而固定，元器件因多種不同原因而失效。

3）壽命結(jié)束期

λ高而迅速上升，大部分元器件因損耗而失效。

2?4經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為

——半導(dǎo)體元器件負(fù)荷率應(yīng)在0.3左右；而此電源使用負(fù)荷設(shè)定小于0.2。

——電容器負(fù)荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8；而此電源使用負(fù)荷設(shè)定小于0.5，并且盡量使用無(wú)極性電容器。

——電阻器、電位器、負(fù)荷率≤0.5。而此電源使用厚膜燒結(jié)電阻，可靠性將更高。

總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在≤0.3。不得已時(shí)，通常也應(yīng) ≤0.5。

2?5可靠性設(shè)計(jì)原則

綜上所述，我們可以得出設(shè)計(jì)此特種電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

首先將此電源視為一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)工程，視為由幾個(gè)子單元組成的較大電子系統(tǒng)。提高它的可靠性主要從下幾方面（其重要性依次遞減）入手。

1）對(duì)于關(guān)鍵元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗余度

如圖2所示的R1、R6；C9、C11。

2）原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證R11、C8、D6完全可以去掉。

3）在同等體積下盡量采用高額度的元器件例如T1、V1、L1、L2、L3。

4）選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件IC1、IC2、DZ1選用特軍級(jí)。

5）原則上不選用電解質(zhì)電容盡量選用無(wú)極性

介質(zhì)電容。例如：C2、C5、C6、C7。

6）沒有接線或連接器采用厚膜混合技術(shù)。

7）品質(zhì)檢查（進(jìn)行老化、在線驗(yàn)測(cè)，執(zhí)行ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)廠后還要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的老化、篩選。

上述七個(gè)方面便是此電源選用元器件的原則。

3電源工作方式與關(guān)鍵元器件的選擇

3?1電源工作方式的選擇

兩種不同的電源工作方式比較情況如表7所示。

表7電流反饋單端正激式電源和電壓反饋

推挽式電源的比較電流反饋單端正激式電源電壓反饋推挽式電源元器件數(shù)少較多
工作頻率提高容易（最高可大于800kHz）不容易（250kHz）
高低溫穩(wěn)定性很好一般
功率密度較高低
工作應(yīng)力較小大
振蕩過(guò)沖很小較大
過(guò)流保護(hù)自帶外加
從表7的對(duì)比我們不難看出，電流反饋單端正激式的突出優(yōu)點(diǎn)在于

1）高頻率工作下的低應(yīng)力；

2）同樣功率的電源所用的元器件較少；

3）因?yàn)槠錇殡娏鞣答伿剑蛊湎忍斓鼐哂懈?、低溫穩(wěn)定性強(qiáng)于電壓反饋式的優(yōu)點(diǎn)。

此電源原理圖如圖2所示。

3?2關(guān)鍵元器件的選擇

1）主電路1843的選擇

一般似乎認(rèn)為，只要是1843它都應(yīng)當(dāng)滿足在全溫度范圍（－55℃～＋125℃）內(nèi)的所有主要技術(shù)指標(biāo)，如基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度，設(shè)定的振蕩頻率等，但在實(shí)際中往往不是這樣。在占空比D=50％，腳6模擬負(fù)載R=75Ω，C=2200pF，R,C并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)條件下，振蕩頻率穩(wěn)定度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8我們不難看出以下幾點(diǎn)：

——對(duì)3843來(lái)講，高溫參數(shù)的嚴(yán)重漂移應(yīng)在情理之中，因?yàn)樵诖烁邷叵缕浼夹g(shù)指標(biāo)不能滿足穩(wěn)定度的要求，特別應(yīng)該注意的是，同為UC3843，不同年份生產(chǎn)的同類產(chǎn)品其性能指標(biāo)也存在巨大的差異。

——對(duì)1843來(lái)講，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，其振蕩頻率高溫穩(wěn)定性也同樣存在較大的差異。這一點(diǎn)更應(yīng)當(dāng)引起各位同行，特別是軍品生產(chǎn)單位同仁們的注意。在高溫下基本振蕩頻率的嚴(yán)重漂移，所帶來(lái)最直接的后果是不言而喻的。它已經(jīng)嚴(yán)重破壞了電源本身的基本參數(shù)（主變壓器的工作特性）使電源在高溫下無(wú)法正常工作。

2）主變壓器的磁芯選擇

此電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使其在＋125℃高溫中穩(wěn)定可靠地工作。此電源的體積要求為30mm× 20mm×8mm，由于體積的限制所以主變壓器磁芯的尺寸選擇也不可能過(guò)大。因此以下二點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

——提高工作頻率，此電源的工作頻率設(shè)定為400kHz左右；

——優(yōu)選主變壓器磁芯，優(yōu)選原則如下。

①飽和磁通密度Bs（mT）要高（>500）；

②剩磁Br（mT）要?。?00）；

③居里點(diǎn)Qc（℃）要高（>200）；

④電阻率ρ（Ω·cm）要高（>600）；

⑤磁導(dǎo)率（通常大磁場(chǎng)下振幅磁導(dǎo)率或交直流疊加下增量磁導(dǎo)率）要適當(dāng)?shù)馗撸?gt;2 000）；

⑥磁芯損耗Pc（mW/cm3）要?。?00），最關(guān)鍵的是要求其具有負(fù)溫度系數(shù)，以利于高溫穩(wěn)定工作。

眾所周知在高頻與高磁通密度下，磁芯總損耗Pc為

Pc=kfmBn（7）

式中：k——常數(shù)；

f——工作開關(guān)頻率；

B——工作磁通密度；

n——指數(shù)，對(duì)于功率鐵氧體材料，典型值為2?5；

m——指數(shù)，在f=10～100kHz時(shí)，應(yīng)考慮渦流損耗，此時(shí)m=1.3，當(dāng)頻率提高到100kHz上時(shí)，m要增大。

由式（7）可見，提高工作磁通密度，磁芯損耗將以2?5次方增加引起變壓器升溫，因此變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁芯損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時(shí)提高開關(guān)頻率，磁芯損耗也要相應(yīng)增加，所以在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁芯損耗200mW/cm3是一個(gè)適宜的限制值。在規(guī)定的磁芯損耗下，提高工作頻率必須相應(yīng)降低工作磁通密度值。

3）磁芯的尺寸考慮

眾所周知，磁芯有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國(guó)西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達(dá)式為

P=CfΔBJFCUSaSe（8）

式中：C—與變換器工作方式有關(guān)的常數(shù)，如推挽式C=1；單端正激式，C=0.71；單端反激式，C=0.61。

J—電流密度；

FCU—銅占因子；

Sa—窗口面積；

Se—磁芯有效載面積。

功率變壓器磁芯形狀應(yīng)考慮大電流引出線及散熱容易，對(duì)高頻變壓器還應(yīng)考慮屏蔽，防止雜散磁場(chǎng)干擾。關(guān)于磁芯損耗（PC）與溫升的關(guān)系，可用式（9）表示。

PC=ΔT/Rth（9）

式中:ΔT—磁芯溫升；

Rth—熱阻。

降低熱阻可提高磁芯的功率承受能力；而熱阻又近似地與磁芯表面積成反比。因此在磁芯形狀設(shè)計(jì)中加大背部或外翼尺寸，將它變寬變薄，使暴露的鐵氧體面積增大，可以降低熱阻。

4）單端正激式開關(guān)電源變壓器計(jì)算

單端正激式開關(guān)電源變壓器與反激式開關(guān)電源變壓器磁芯都是單向激磁，要求磁芯脈沖磁感應(yīng)增量大。但是變壓器初級(jí)工作次級(jí)也同時(shí)工作，因此，計(jì)算方法和步驟又與雙極性開關(guān)電源變壓器接近。

初級(jí)繞組匝數(shù)N1計(jì)算式為N1=×10－2(10)

式中：Vp1——變壓器輸入額定電壓幅值，此電源標(biāo)稱電壓值為27V；

ton——開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，此電源設(shè)定為1μs；

ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量，此電源設(shè)定為0.2T；

Ac——磁芯截面積，所選磁材為PC40EPC10—Z，其截面積為9.39×10－2cm2。

按上述所選值求得N1=13。次級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算在此不再贅述。

5）各二極管的選擇

在一般軍品電源中，整流二極管都選擇肖特基二極管，因其具有低壓降和超高速的雙重優(yōu)點(diǎn)。但是，此電源設(shè)計(jì)工作溫度為＋125℃（長(zhǎng)期），＋150℃（短期），已經(jīng)接近肖特基二極管的容許結(jié)溫，因此肖特基二極管在此電源中無(wú)法使用，只能選擇硅二極管。選擇的主要參數(shù)為：最大峰值工作電流Ifsm>0.5A，反向電壓Vrrm>100V，反向恢復(fù)時(shí)間trr50ns。這樣才能保證電源在要求的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。

4電源的生產(chǎn)工藝與全面質(zhì)量管理

生產(chǎn)工藝采用先進(jìn)的厚膜混合集成生產(chǎn)工藝。厚膜電路的優(yōu)點(diǎn)主要是無(wú)源元件的參數(shù)范圍廣，精度較高，性能穩(wěn)定可靠，元件間絕緣良好，高頻特性好，易于制造出高壓、大電流和大功率電路，電路設(shè)計(jì)靈活性大，可多層布線。由厚膜生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出無(wú)源元件和半導(dǎo)體技術(shù)制作的IC，MSI，LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成電路，可進(jìn)一步提高集成度和實(shí)現(xiàn)多功能化。此特種電源從元器件采購(gòu)、元器件入廠篩選，再到我廠的貫軍標(biāo)厚膜生產(chǎn)線生產(chǎn)的全過(guò)程實(shí)施全程管理，全程化生產(chǎn)工藝控制，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，此電源現(xiàn)已使用到了國(guó)家軍工重點(diǎn)工程上，并得到了使用廠家的好評(píng)。

5結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、此特種電源的原則和注意事項(xiàng)，尤其是將可靠性提高到了應(yīng)有的高度，使大家認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的可靠性不但是生產(chǎn)出來(lái)的，而且更重要是設(shè)計(jì)出來(lái)的。此觀點(diǎn)和本文所提出的原則和注意事項(xiàng)不但可以應(yīng)用到電源設(shè)計(jì)上，而且也可以應(yīng)用到任何種類的電子產(chǎn)品的研制生產(chǎn)當(dāng)中去。