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(guó)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(guó)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(lái)說(shuō)，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(lái)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?jī)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(yù)穩(wěn)，而主路輸出功率變化較大又必然帶來(lái)輔路變壓器次級(jí)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(shè)計(jì)采用兩路輸出來(lái)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(lái)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(guò)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(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(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(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(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(guò)合理設(shè)計(jì)匝數(shù)來(lái)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(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?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(guò)－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(guò)提高誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益來(lái)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(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(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(lái)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(lái)降低噪聲，同時(shí)可將信號(hào)線與噪聲源及流過(guò)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(kāi)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(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(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(guò)鑒定QCI檢驗(yàn)，還要通過(guò)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(jiàn)，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(zhǎng)期可靠地工作，所以，無(wú)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(jiǎn)化，既要實(shí)現(xiàn)電路性能，又要簡(jiǎn)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(zhǎng)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(lái)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(guò)以下幾方面來(lái)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)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(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(yīng)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(dǎo)致基板在機(jī)械沖擊中開(kāi)裂：三來(lái)也對(duì)變壓器的散熱有好處。

(4)通過(guò)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(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(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(kāi)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(guò)信息產(chǎn)業(yè)部五所的直接QML檢驗(yàn)，并已通過(guò)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(yǔ)

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。