高可靠DC／DC變換器模塊設(shè)計(jì)

0 引言

目前，在高端電子設(shè)備領(lǐng)域，高等級(jí)的DC／DC電源模塊主要還是依賴國外進(jìn)口，因此，盡快實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量等級(jí)DC／DC電源模塊國產(chǎn)化迫在眉睫。本文以一種質(zhì)量等級(jí)為H級(jí)的DC／DC電源模塊的設(shè)計(jì)為例，從電路、工藝等方面詳細(xì)介紹了H級(jí)DC／DC電源模塊的設(shè)計(jì)思想。

1 模塊主要指標(biāo)

該DC／DC電源模塊是為整機(jī)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(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均小于1％，輸出紋波電壓小于40 Mv

2 電路設(shè)計(jì)

2．1 非平衡雙路功率電壓輸出設(shè)計(jì)

在DC／DC變換器設(shè)計(jì)中，對(duì)于兩路輸出功率不相等的模塊來說，其設(shè)計(jì)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(wěn)壓電路進(jìn)行二次穩(wěn)壓方法。二是采用變壓器次級(jí)多繞組來分別輸出兩路相對(duì)獨(dú)立的電壓。其中方法一雖然可以提高電路的穩(wěn)定度，保證輸出電壓的精度，但是會(huì)增加電路的損耗，因?yàn)槎畏€(wěn)壓電路的輸入和輸出電壓差越小，穩(wěn)壓電路功耗就越小，而該項(xiàng)目兩路輸出功率相差很大(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(yù)穩(wěn)，而主路輸出功率變化較大又必然帶來輔路變壓器次級(jí)電壓的較大變化，因而無法保證輸出電壓的精度。為此，本設(shè)計(jì)采用兩路輸出來分別獨(dú)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(wěn)壓帶來的損耗。

2．2變壓器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，應(yīng)首先合理選擇磁芯材料。磁芯材料需考慮的最主要因數(shù)是它在工作頻率處的損耗和應(yīng)用磁通密度。確定了模塊工作頻率后．即可根據(jù)制造商提供的手冊(cè)確定材料的具體型號(hào)，然后查出模塊在最惡劣使用環(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(shè)定的工作頻率為500 kHz，通過手冊(cè)可以查到：TDK公司的PC40，PC95系列以及SIEMENS公司的N67系列都可以滿足要求。確定了具體的磁芯型號(hào)、形狀和尺寸后，便可以查到該型號(hào)在125℃時(shí)的磁通飽和密度Bs，然后根據(jù)降額設(shè)計(jì)選擇最大磁通密度為0．2Bs，在確定BMAX后，就可以根據(jù)下式計(jì)算出變壓器的原邊匝數(shù)：

式中，Kf為波形系數(shù)(方波時(shí)為4)，為開關(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(shù)。

由原邊匝數(shù)便可計(jì)算出變壓器的副邊匝數(shù)：

式中，Np為副邊匝數(shù)，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(shù)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(shù)，Vc是磁芯體積，單位cm3，fSW為開關(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，損耗與開關(guān)頻率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在優(yōu)選具有高導(dǎo)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(shè)定BMAX，并通過合理設(shè)計(jì)匝數(shù)來減小變壓器的磁滯損耗。

2．3反饋補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

眾所周知，負(fù)反饋環(huán)是開關(guān)電源的核心部分，它保持輸出電壓的恒定主要是通過采用誤差放大器來減小輸出電壓與理想?yún)⒖茧妷旱恼`差，從而實(shí)現(xiàn)這一功能的。由于實(shí)際應(yīng)用中存在負(fù)載變化和輸入電壓變化，所以要求誤差放大器對(duì)這些變化能有快速響應(yīng)，并且不會(huì)因此產(chǎn)生振蕩而造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)誤差放大器補(bǔ)償電路應(yīng)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(yīng)不超過－360°，在實(shí)際設(shè)計(jì)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(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和瞬態(tài)響應(yīng)；最后，閉環(huán)增益曲線的斜率應(yīng)以－20Db／dec下降。

由于不同電源采用的控制方式不同，相應(yīng)的補(bǔ)償方式也不同，本文采用電流型控制方式，采用的補(bǔ)償方式為極點(diǎn)一零點(diǎn)補(bǔ)償。其電路如圖1所示。這種補(bǔ)償方法在直流處有一個(gè)極點(diǎn)，可通過提高誤差放大器的開環(huán)增益來改善輸出調(diào)節(jié)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(bǔ)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(dú)立控制和反饋的電路比較復(fù)雜，組裝密度較高，所以，引線之間、引線和元器件之間、引線與機(jī)殼之間的干擾必然增大；另外，該電路工作在開關(guān)狀態(tài)，各單元電路之間因有脈動(dòng)電流和噪聲，因此容易通過電源內(nèi)阻、引線等公共阻抗形成耦合噪聲。

設(shè)計(jì)時(shí)首先可在電路中增設(shè)濾波環(huán)節(jié)來抑制耦合噪聲，另外可在導(dǎo)線布局上盡量減小公共阻抗，合理設(shè)置接地點(diǎn)，并減小電源內(nèi)阻來降低噪聲，同時(shí)可將信號(hào)線與噪聲源及流過脈動(dòng)電流的引線分離，以減弱耦合噪聲。

其次應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡可能降低噪聲的產(chǎn)生。開關(guān)二極管反向恢復(fù)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(shè)計(jì)時(shí)可采用反向恢復(fù)時(shí)間較快的肖特基二極管，并根據(jù)具體輸出情況合理選型，適當(dāng)降額設(shè)計(jì)也可較好的抑制噪聲。對(duì)于高頻變壓器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，可在模塊設(shè)計(jì)中采用去耦和屏蔽的方法來降低干擾。該模塊的輸出紋波峰峰值小于40 mV。

3 產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)

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

由表1可見，本產(chǎn)品所經(jīng)受的試驗(yàn)相當(dāng)嚴(yán)酷。由于要求產(chǎn)品在全溫范圍(－55℃～＋125℃)內(nèi)長期可靠地工作，所以，無論從電路設(shè)計(jì)還是工藝結(jié)構(gòu)上，都要考慮到可靠性設(shè)計(jì)。

3．1 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，從設(shè)計(jì)上考慮，電路結(jié)構(gòu)要盡量簡化，既要實(shí)現(xiàn)電路性能，又要簡化元器件的品種與數(shù)量，減小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次，初步設(shè)計(jì)完成后還要采用可靠性綜合分析軟件進(jìn)行分析和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)不足之處，再進(jìn)行改進(jìn)和提高。最后合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，使產(chǎn)品工作在最佳狀態(tài)。

3．2 降額設(shè)計(jì)

元器件的電應(yīng)力包括電流應(yīng)力及電壓應(yīng)力。元器件的降額設(shè)計(jì)能有效提高產(chǎn)品的可靠性。降額系數(shù)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(yīng)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(shè)計(jì)

由于DC／DC變換器為功率模塊，產(chǎn)品又要在125℃下長期可靠工作，因此，熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)可采用熱分析軟件及紅外熱像儀進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、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(dú)石電容器來取代傳統(tǒng)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。可選用低功耗的元器件，變壓器的合理化設(shè)計(jì)可有效減小產(chǎn)品的內(nèi)部功耗，同時(shí)減少產(chǎn)品的溫升。產(chǎn)品在小型化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

為了滿足產(chǎn)品各種應(yīng)力試驗(yàn)的要求，可通過以下幾方面來進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)：

(1)工藝上可采用厚膜多層布線工藝，布線層數(shù)在三層以上，線寬與線間距可在200μm，電路中的電阻一般應(yīng)選用膜層電阻，并采用激光修調(diào)技術(shù)使阻值達(dá)到電路設(shè)計(jì)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)。通過對(duì)相關(guān)設(shè)備的改造和工藝研究，以及對(duì)真空烘烤工藝參數(shù)進(jìn)行的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以得到合適的數(shù)據(jù)，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)品長期使用的可靠性。

(3)在DC／DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，基板與外殼、基板與元器件之間均存在一定的溫度應(yīng)力。為了滿足產(chǎn)品的H級(jí)要求，需對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)和抗機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行分析。通過基板表面金屬化設(shè)計(jì)和對(duì)基板表面膜層厚度進(jìn)行控制，基板與底座之間可以滿足上述應(yīng)力條件。通過對(duì)相關(guān)元器件的合理選型以及對(duì)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(qiáng)度問題。 在DC／DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)相差也較大，因此，在設(shè)計(jì)上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采用基板對(duì)稱分布，來把變壓器和電感直接粘接在底座上。這樣一來可避免溫度應(yīng)力帶來的開裂；二來可縮小基片面積，從而避免在基板局部形成不平衡的重力點(diǎn)而導(dǎo)致基板在機(jī)械沖擊中開裂：三來也對(duì)變壓器的散熱有好處。

(4)通過選用合適的導(dǎo)電膠和環(huán)氧膠，以便對(duì)工藝參數(shù)、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(dá)到高可靠粘接的目的；例如針對(duì)變壓器來說，選用一種合適的粘接膠來粘接變壓器，不僅會(huì)有一定的抗拉強(qiáng)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)中不開裂。

(5)優(yōu)化焊接和鍵合技術(shù)。應(yīng)對(duì)不同型號(hào)的焊膏，焊錫絲的組成成分、強(qiáng)度特性和溫度系數(shù)進(jìn)行對(duì)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(duì)25μm Au和200μmA1絲工藝進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)證結(jié)果

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

5 結(jié)束語

本文從電路、工藝和可靠性設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)介紹了H級(jí)DC／DC電源模塊的設(shè)計(jì)思想，以期對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起到借鑒的作用。