基于HB2805S15變換器的混合集成電路設(shè)計方案

基于 變換器的混合集成電路設(shè)計方案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， 變換器的需求越來越大，同時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 變換器的發(fā)展方向。 是輸出電壓電流的混合集成 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 公司的 系列相同。電路方案2主要技術(shù)指標(biāo)的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， 變換器的需求越來越大，同時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 變換器的發(fā)展方向。是輸出電壓電流的混合集成 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 公司的 系列相同。2電路方案2．1主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1表1主要技術(shù)指標(biāo)項目參數(shù)指標(biāo)單位輸入電壓范圍輸出電壓輸出電流3A輸出電壓紋波W50mV電壓調(diào)整率<0.15％負(fù)載調(diào)整率<0.3％效率三80％工作溫度范圍一55?+85℃2．2電路結(jié)構(gòu)方案拓?fù)漕愋椭饕校航祲盒?、升壓型、反相型一、反激?、正激型 和零電壓（）零電流（）型。中小功率的 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單端正激型合并，變壓器工作在第I象限和第ni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 變換器的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如圖所示。開關(guān)管，在 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)， 的導(dǎo)通截止時間，可改變輸出電壓。雙端推挽 變換器的輸出電壓可表示為：式中： 輸出電壓，V 輸入電壓，V——整流管的占空比；——變壓器初級匝數(shù)，匝；——變壓器次級匝數(shù)，匝。3電路設(shè)計3．1主要元器件變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制器、變壓器、隔離反饋電路以及開關(guān)管和整流管。 的選用 ，隔離放大器選用 ，變壓器和電感選用 的 材料系列的罐型磁芯。是電壓/電流型控制器，輸出峰值電流A開關(guān)頻率可達(dá)到H誤差放大器的單位增益帶寬 H具有逐個脈沖電流限制，軟起動和最大占空比可設(shè)置，可用于雙端推挽 變換器。隔離放大器是一個脈沖幅度調(diào)制（）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 。系列是 公司的產(chǎn)品，其導(dǎo)磁率高，高頻損耗小。

開關(guān)頻率定時元件計算開關(guān)頻率高，元器件的開關(guān)損耗大，影響效率n；開關(guān)頻率低不利于小型化，經(jīng)過計算和實驗，開關(guān)頻率定為 。 的定時元件電阻和電容由式（）和（）計算確定：式中：一一定時電阻，。；——定時電容，；最大占空比；——開關(guān)頻率，z3．3元器件設(shè)計（1）變壓器的設(shè)計變壓器是 變換器的重要元件，主要技術(shù)參數(shù)是初次級匝數(shù)比 /和初次級的電感量（。 ）。變壓器的初級匝數(shù)和次級匝數(shù)由下式得到：Ns=（5）式中： 最大輸入電壓，V 最小輸入電壓，V——飽和磁通密度，T——磁芯截面積，；——整流管正向壓降，V 輸出電壓，。（2）輸出部分的設(shè)計輸出部分主要是輸出電感和輸出電容構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)，電感量和電容值由下式求得：式中：△——電感脈動電流（一般取值△ %?％） ）aA最小占空比。式中：△式中：△輸出最高紋波電壓，(3)開關(guān)管和整流管開關(guān)管的最大電流 a由下式求得： a=(+)+a ()式中：—一勵磁電流，A——變壓器最大輸出電流，；開關(guān)管耐壓VB：VBN2Vi(9)整流管的最大峰值電流 F整流管的反向截止電壓VRR：VRRN2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)計主要對電路中的功率元器件進(jìn)行降額設(shè)計和版圖的熱設(shè)計。4．1功率元器件的降額設(shè)計由3.3節(jié)中的設(shè)計公式計算出各元器件的實際要求數(shù)值，按降額等級(I級)選取元器件。(1)磁性元件的設(shè)計變壓器和濾波電感是 變換器的主要發(fā)熱源，承載著很大的功率，本電路選用T的 4材料系列的罐型磁芯。4材料的主要參數(shù)：導(dǎo)磁率=2300居里溫度TcN215℃飽和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)Bs=3900Gas(100℃)電路設(shè)計中變壓器磁通密度的實際取值是Bs=100Gas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(F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的電路效率。本電路的輸出電壓V輸出電流3A因此選用肖特基Q它的最大電流( ) 0反向重復(fù)峰值電壓I) 5符合I級降額標(biāo)準(zhǔn)。(3)開關(guān)管功率 具有開關(guān)速度快，損耗低，驅(qū)動電流小，無二次擊穿現(xiàn)象，過載能力強，抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛地用于高頻開關(guān)電源。當(dāng)輸入電壓為低壓 時，流過開關(guān)管的峰值電流取 =3輸入為最高電壓36時，源漏電壓=2X36+尖峰(尖峰是由變壓器漏感產(chǎn)生的)。選用 63最大漏極電流 =9耐壓20符合I級降額設(shè)計。4．2版圖的熱設(shè)計減小熱阻，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、變壓器、整流管和電感等，設(shè)計上從三個方面采取了措施：(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)計為鈀銀( )加厚。采用一全金屬縫焊平行封裝，它的氣密性好，封裝時不產(chǎn)生金屬異物， 通過率高于錫封焊，可靠性高。版圖設(shè)計時充分要考慮組裝工藝，合理的版圖設(shè)計可減小深腔組裝的技術(shù)難度。變壓器和電感器是 變換器的重要元件，繞制時嚴(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 2 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)實驗。電路的測試數(shù)據(jù)見表2，表3列出了電路實際達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。0.000.00圖3電路（滿載）加電和（滿載）斷電時的動態(tài)響應(yīng)加電(Vi=0f28VVO=5VIO=3A)斷電(Vi=28Vf0V)圖4電路的輸出電壓紋波噪聲表2 2805 5批測試數(shù)據(jù)項目99－121＃991－141＃991－149＃99－1315＃效率n(%)80.0780.0280.0180.00負(fù)載調(diào)整率K%)0.160.150.180.10電壓調(diào)整率V(%)0.020.000.00輸出紋波5577表3電路達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)項目設(shè)計目標(biāo)值實際達(dá)到值效率n（%）三80三80負(fù)