基于HB2805S15变换器的混合集成电路设计方案.

基于HB2805S15变换器的混合集成电路设计方案1引言随着武器系统的发展，电子设备趋向小型化，供电方式由集中供电向分布式供电发展，DC/DC变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性，是当今乃至今后高可靠DC/DC变换器的发展方向。HB2805S15是输出电压5V电流3A的混合集成DC/DC变换器，采用厚膜工艺、磁隔离方式进行混合集成，封装形式与Interpoint公司的MHV系列相同。2电路方案2．1主要技术指标HB2805S15的1引言随着武器系统的发展，电子设备趋向小型化，供电方式由集中供电向分布式供电发展，DC/DC变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性，是当今乃至今后高可靠DC/DC变换器的发展方向。HB2805S15是输出电压5V电流3A的混合集成DC/DC变换器，采用厚膜工艺、磁隔离方式进行混合集成，封装形式与Interpoint公司的MHV系列相同。2电路方案2．1主要技术指标HB2805S15的主要技术指标见表1。表1主要技术指标项目参数指标单位输入电压范围18～36V输出电压5.0V输出电流3A输出电压纹波≤50mV电压调整率≤0.15％负载调整率≤0.3％效率≥80％工作温度范围－55～＋85℃2．2电路结构方案DC/DC拓扑类型主要有：降压型(Buck)、升压型(Boost)、反相型(Buck－Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零电压（ZVS）零电流（ZCS）型。中小功率的DC/DC电源变换器一般采用单端正激型和双端推挽型的拓扑结构。单端正激型结构简单，元器件少，双端推挽型是将两个单端正激型合并，变压器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了单端正激的不利因素。反馈隔离方式有光电隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器受温度的影响大，频带窄；脉冲变压器隔离的温度稳定性好，可靠性高，频带宽，是高可靠DC/DC电源变换器优先采用的方式。本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式，原理图如图1。图1双端推挽变压器隔离反馈原理图图2推挽式变换器电路及其相关波形2．3电路工作原理双端推挽DC/DC变换器的基本电路结构及其工作波形如图2所示。开关管Q1，Q2在PWM控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节Q1，Q2的导通/截止时间，可改变输出电压。双端推挽DC/DC变换器的输出电压可表示为：式中：VO——输出电压，V；Vi——输入电压，V；D——整流管的占空比；Np——变压器初级匝数，匝；Ns——变压器次级匝数，匝。.3电路设计3．1主要元器件DC/DC变换器的主要元器件是脉宽调制器PWM、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。HB2805S15的PWM选用UC1825A，隔离放大器选用UC1901，变压器和电感选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。UC1825A是电压／电流型PWM控制器，输出峰值电流2A，开关频率可达到1MHz，误差放大器的单位增益带宽12MHz，具有逐个脉冲电流限制，软起动和最大占空比可设置，可用于双端推挽DC/DC变换器。UC1901隔离放大器是一个脉冲幅度调制（AM）电路，它包括基准源、误差放大器、振荡器、乘法器，最高振荡频率5MHz。PC40系列是TDK公司的产品，其导磁率高，高频损耗小。3．2开关频率定时元件计算开关频率高，元器件的开关损耗大，影响效率η；开关频率低不利于小型化，经过计算和实验，开关频率定为300kHz。UC1825A的定时元件电阻和电容由式（2）和（3）计算确定：CT=(3)式中：RT——定时电阻，Ω；CT——定时电容，F；Dmax——最大占空比；f——开关频率，Hz。3．3元器件设计（1）变压器的设计变压器是DC/DC变换器的重要元件，主要技术参数是初次级匝数比(n=Np／Ns)和初次级的电感量（Lp，Ls）。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得到：Ns=(5)式中：Vimax——最大输入电压，V；Vimin——最小输入电压，V；Bm——饱和磁通密度，T；Ae——磁芯截面积，m2；VF——整流管正向压降，V；VO——输出电压，V。（2）输出部分的设计输出部分主要是输出电感L和输出电容C构成的LC低通网络，电感量和电容值由下式求得：式中：ΔIL——电感脉动电流（一般取值ΔIL=(10％～25％）IOmax），A；Dmin——最小占空比。式中：ΔVOmax——输出最高纹波电压，V。（3）开关管和整流管开关管的最大电流IPmax由下式求得：IPmax=(IOmax＋)＋IM(8)式中：IM——励磁电流，A；IOmax——变压器最大输出电流，A；开关管耐压VB：VB≥2Vi(9)整流管的最大峰值电流IFM：整流管的反向截止电压VRR：VRR≥2本电路输出电压低电流大，选用肖特基整流管。4可靠性设计主要对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。4．1功率元器件的降额设计由3．3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值，按降额等级（Ⅰ级）选取元器件。（1）磁性元件的设计变压器和滤波电感是DC/DC变换器的主要发热源，承载着很大的功率，本电路选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。PC40材料的主要参数：导磁率μ=2300居里温度Tc≥215℃饱和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)Bs=3900Gas(100℃)电路设计中变压器磁通密度的实际取值是Bs=1600Gas，达到Ⅰ级降额标准。.（2）整流管肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件，具有很好的开关特性，它的正向压降（VF）小，且随温度的升高而降低，可降低整流管导通损耗，有利于提高输出电压低时的电路效率。本电路的输出电压5V，输出电流3A，因此选用肖特基10TQ045，它的最大电流（IFRM）10A，反向重复峰值电压（VRRM）45V，符合Ⅰ级降额标准。（3）开关管功率MOSFET具有开关速度快，损耗低，驱动电流小，无二次击穿现象，过载能力强，抗干扰能力强等优点，广泛地用于高频开关电源。当输入电压为低压18V时，流过开关管的峰值电流取IP=3A；输入为最高电压36V时，源漏电压VDS=2×36＋V尖峰（V尖峰是由变压器漏感产生的）。选用IRF630，最大漏极电流ID=9A，VDS耐压200V，符合Ⅰ级降额设计。4．2版图的热设计减小热阻，提高效率，电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(MOSFET)、变压器、整流管和电感等，设计上从三个方面采取了措施：（1）在版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放；（2）采用新工艺，减小热阻，开关管、整流管采用再流焊工艺，粗铝丝压焊，变压器、电感器和基片采用导热胶粘接；（3）基片材料选用高导热率的基片，增加热传导。5工艺技术电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺，焊接区设计为钯银（PaAg）加厚。采用MQ10—10全金属缝焊平行封装，它的气密性好，封装时不产生金属异物，PIND通过率高于锡封焊，可靠性高。版图设计时充分要考虑组装工艺，合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。变压器和电感器是DC/DC变换器的重要元件，绕制时严格控制匝数和电感量，保证误差在一定的范围，满足电路的要求。6研制结果高可靠混合集成HB2805S15DC/DC变换器完成了研制，并进行了批量的生产，通过了质量一致性考核（例试）实验。电路的测试数据见表2，表3列出了电路实际达到的主要技术指标。图3电路（满载）加电和（满载）断电时的动态响应(a)加电（Vi=0→28VVO=5VIO=3A）(b)断电（Vi=28V→0V）图4电路的输出电压纹波噪声表2HB2805S159911批测试数据项目9911－2＃9911－41＃9911－49＃9911－35＃效率η（％）80.0780.0280.0180.00负载调整率SI（％）0.160.150.180.10电压调整率SV（％）0.020.000.000.00输出纹波Vpp(mV)5577表3电路达到的主要技术指标项目设计目标值实际达到值效率η（％）≥80≥80负载调整率SI（％）≤0.30.2电压调整率SV（％）≤0.150.03输出纹波Vpp(mV)≤5010图3是电路（满载）加电和（满载）断电时的响应波形。图4是电路的输出电压纹波噪声。7结语通过HB2805S15的研制，掌握了混合集成DC/DC变换器电路设计技术，相继研制开发5W系列、15W系列、30W系列、70W系列约15个品种的高可靠混合集成DC/DC电源变换器。