《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高可靠混合集成DC/DC變換器(5V/3A)的設(shè)計(jì)
郭清軍,王俊峰
摘要: HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器,,采用厚膜工藝,、磁隔離方式進(jìn)行混合集成,封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同,。
Abstract:
Key words :

1引言

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展,,電子設(shè)備趨向小型化,供電方式由集中供電向分布式供電發(fā)展,,DC/DC變換器的需求越來越大,,同時(shí)對可靠性提出了更高的要求。采用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,,是當(dāng)今乃至今后高可靠DC/DC變換器的發(fā)展方向,。

HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器,采用厚膜工藝,、磁隔離方式進(jìn)行混合集成,,封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同。

2電路方案

2.1主要技術(shù)指標(biāo)

HB2805S15的主要技術(shù)指標(biāo)見表1,。

表1主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目 參數(shù)指標(biāo) 單位
輸入電壓范圍 18~36 V
輸出電壓 5.0 V
輸出電流 3 A
輸出電壓紋波 ≤50 mV
電壓調(diào)整率 ≤0.15
負(fù)載調(diào)整率 ≤0.3
效率 ≥80
工作溫度范圍 -55~+85

2.2電路結(jié)構(gòu)方案

 

DC/DC拓?fù)漕愋椭饕校航祲盒?Buck),、升壓型(Boost)、反相型(Buck-Boost),、反激型(Flyback),、正激型(Forward)和零電壓(ZVS)零電流(ZCS)型。中小功率的DC/DC電源變換器一般采用單端正激型和雙端推挽型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

單端正激型結(jié)構(gòu)簡單,,元器件少,雙端推挽型是將兩個(gè)單端正激型合并,,變壓器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限,,提高了磁芯的利用率,消除了單端正激的不利因素,。

反饋隔離方式有光電隔離和脈沖變壓器隔離,。光電耦合器受溫度的影響大,頻帶窄,;脈沖變壓器隔離的溫度穩(wěn)定性好,,可靠性高,,頻帶寬,是高可靠DC/DC電源變換器優(yōu)先采用的方式,。

本電路采用雙端推挽變壓器隔離反饋式,,原理圖如圖1。

圖1雙端推挽變壓器隔離反饋原理圖

圖2推挽式變換器電路及其相關(guān)波形

2.3電路工作原理

雙端推挽DC/DC變換器的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如圖2所示,。

開關(guān)管Q1,,Q2在PWM控制器的控制下交替導(dǎo)通,將變壓器的初級電流和電壓傳遞到次級,,經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓,,調(diào)節(jié)Q1,Q2的導(dǎo)通/截止時(shí)間,,可改變輸出電壓,。雙端推挽DC/DC變換器的輸出電壓可表示為:VO=DVi(1)

式中:VO——輸出電壓,V,;

Vi——輸入電壓,,V;

D——整流管的占空比,;

Np——變壓器初級匝數(shù),,匝;

Ns——變壓器次級匝數(shù),,匝,。

3電路設(shè)計(jì)

3.1主要元器件

DC/DC變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制器PWM、變壓器,、隔離反饋電路以及開關(guān)管和整流管,。HB2805S15的PWM選用UC1825A,隔離放大器選用UC1901,,變壓器和電感選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯,。

UC1825A是電壓/電流型PWM控制器,輸出峰值電流2A,,開關(guān)頻率可達(dá)到1MHz,,誤差放大器的單位增益帶寬12MHz,,具有逐個(gè)脈沖電流限制,,軟起動(dòng)和最大占空比可設(shè)置,可用于雙端推挽DC/DC變換器,。

UC1901隔離放大器是一個(gè)脈沖幅度調(diào)制(AM)電路,,它包括基準(zhǔn)源、誤差放大器,、振蕩器,、乘法器,,最高振蕩頻率5MHz。

PC40系列是TDK公司的產(chǎn)品,,其導(dǎo)磁率高,,高頻損耗小。

3.2開關(guān)頻率定時(shí)元件計(jì)算

開關(guān)頻率高,,元器件的開關(guān)損耗大,,影響效率η;開關(guān)頻率低不利于小型化,,經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn),,開關(guān)頻率定為300kHz。UC1825A的定時(shí)元件電阻和電容由式(2)和(3)計(jì)算確定:RT=(2)CT=(3)

式中:RT——定時(shí)電阻,,Ω,;

CT——定時(shí)電容,F(xiàn),;

Dmax——最大占空比,;

f——開關(guān)頻率,Hz,。

3.3元器件設(shè)計(jì)

(1)變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器是DC/DC變換器的重要元件,,主要技術(shù)參數(shù)是初次級匝數(shù)比(n=Np/Ns)和初次級的電感量(Lp,Ls),。變壓器的初級匝數(shù)和次級匝數(shù)由下式得到:Np≥(4)Ns=(5)

式中:Vimax——最大輸入電壓,,V;

Vimin——最小輸入電壓,,V,;

Bm——飽和磁通密度,T,;

Ae——磁芯截面積,,m2;

VF——整流管正向壓降,,V,;

VO——輸出電壓,V,。

(2)輸出部分的設(shè)計(jì)

輸出部分主要是輸出電感L和輸出電容C構(gòu)成的LC低通網(wǎng)絡(luò),,電感量和電容值由下式求得:L≥(6)

式中:ΔIL——電感脈動(dòng)電流(一般取值ΔIL=(10%

~25%)IOmax),A,;

Dmin——最小占空比,。C≥(F)(7)

式中:ΔVOmax——輸出最高紋波電壓,V,。

(3)開關(guān)管和整流管

開關(guān)管的最大電流IPmax由下式求得:IPmax=(IOmax+)+I(xiàn)M(8)

式中:IM——勵(lì)磁電流,,A,;

IOmax——變壓器最大輸出電流,A,;

開關(guān)管耐壓VB:

VB≥2Vi(9)

整流管的最大峰值電流IFM:IFM≥IOmax+(10)

整流管的反向截止電壓VRR:VRR≥2即:VRR≥2Vimax(11)

本電路輸出電壓低電流大,,選用肖特基整流管。

4可靠性設(shè)計(jì)

主要對電路中的功率元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)和版圖的熱設(shè)計(jì),。

4.1功率元器件的降額設(shè)計(jì)

由3.3節(jié)中的設(shè)計(jì)公式計(jì)算出各元器件的實(shí)際要求數(shù)值,,按降額等級(Ⅰ級)選取元器件。

(1)磁性元件的設(shè)計(jì)

變壓器和濾波電感是DC/DC變換器的主要發(fā)熱源,,承載著很大的功率,,本電路選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

PC40材料的主要參數(shù):

導(dǎo)磁率μ=2300

居里溫度Tc≥215℃

飽和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)

Bs=3900Gas(100℃)

電路設(shè)計(jì)中變壓器磁通密度的實(shí)際取值是Bs=1600Gas,,達(dá)到Ⅰ級降額標(biāo)準(zhǔn),。

(2)整流管

肖特基二極管是以多數(shù)載流子工作的整流器件,具有很好的開關(guān)特性,,它的正向壓降(VF)小,,且隨溫度的升高而降低,可降低整流管導(dǎo)通損耗,,有利于提高輸出電壓低時(shí)的電路效率,。

本電路的輸出電壓5V,輸出電流3A,,因此選用肖特基10TQ045,,它的最大電流(IFRM)10A,反向重復(fù)峰值電壓(VRRM)45V,,符合Ⅰ級降額標(biāo)準(zhǔn),。

(3)開關(guān)管

功率MOSFET具有開關(guān)速度快,損耗低,,驅(qū)動(dòng)電流小,,無二次擊穿現(xiàn)象,過載能力強(qiáng),,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),,廣泛地用于高頻開關(guān)電源。

當(dāng)輸入電壓為低壓18V時(shí),,流過開關(guān)管的峰值電流取IP=3A,;輸入為最高電壓36V時(shí),源漏電壓VDS=2×36+V尖峰(V尖峰是由變壓器漏感產(chǎn)生的),。

選用IRF630,,最大漏極電流ID=9A,VDS耐壓200V,,符合Ⅰ級降額設(shè)計(jì),。

4.2版圖的熱設(shè)計(jì)

減小熱阻,提高效率,,電路的可靠性才能提高,。電路的發(fā)熱元器件主要是開關(guān)管(MOSFET)、變壓器,、整流管和電感等,,設(shè)計(jì)上從三個(gè)方面采取了措施:

(1)在版圖上合理分布熱源,將以上元器件分開擺放,;

(2)采用新工藝,,減小熱阻,開關(guān)管,、整流管采用再流焊工藝,,粗鋁絲壓焊,變壓器,、電感器和基片采用導(dǎo)熱膠粘接,;

(3)基片材料選用高導(dǎo)熱率的基片,增加熱傳導(dǎo),。

5工藝技術(shù)

電路采用厚膜交叉布線工藝,、導(dǎo)帶雙層金加厚工藝,焊接區(qū)設(shè)計(jì)為鈀銀(PaAg)加厚,。采用MQ10—10全金屬縫焊平行封裝,,它的氣密性好,封裝時(shí)不產(chǎn)生金屬異物,,PIND通過率高于錫封焊,,可靠性高。

版圖設(shè)計(jì)時(shí)充分要考慮組裝工藝,,合理的版圖設(shè)計(jì)可減小深腔組裝的技術(shù)難度,。

變壓器和電感器是DC/DC變換器的重要元件,繞制時(shí)嚴(yán)格控制匝數(shù)和電感量,,保證誤差在一定的范圍,,滿足電路的要求。

6研制結(jié)果

高可靠混合集成HB2805S15DC/DC變換器完成了研制,,并進(jìn)行了批量的生產(chǎn),,通過了質(zhì)量一致性考核(例試)實(shí)驗(yàn)。電路的測試數(shù)據(jù)見表2,,表3列出了電路實(shí)際達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo),。

  

圖3電路(滿載)加電和(滿載)斷電時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

(a)加電(Vi=0→28VVO=5VIO=3A)

(b)斷電(Vi=28V→0V)

圖4電路的輸出電壓紋波噪聲

表2HB2805S159911批測試數(shù)據(jù)

項(xiàng)目 9911-2# 9911-41# 9911-49# 9911-35#
效率η(%) 80.07 80.02 80.01 80.00
負(fù)載調(diào)整率SI(%) 0.16 0.15 0.18 0.10
電壓調(diào)整率SV(%) 0.02 0.00 0.00 0.00
輸出紋波Vpp(mV) 5 5 7 7

表3電路達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目 設(shè)計(jì)目標(biāo)值 實(shí)際達(dá)到值
效率η(%) ≥80 ≥80
負(fù)載調(diào)整率SI(%) ≤0.3 <0.2
電壓調(diào)整率SV(%) ≤0.15 <0.03
輸出紋波Vpp(mV) ≤50 <10

圖3是電路(滿載)加電和(滿載)斷電時(shí)的響應(yīng)波形。圖4是電路的輸出電壓紋波噪聲,。

 

7結(jié)語

通過HB2805S15的研制,,掌握了混合集成DC/DC變換器電路設(shè)計(jì)技術(shù),,相繼研制開發(fā)5W系列、15W系列,、30W系列,、70W系列約15個(gè)品種的高可靠混合集成DC/DC電源變換器。

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