基于温度参数转换电路的设计与实现
2018-01-04姜硕
姜硕
基于温度参数转换电路的设计与实现
姜硕
（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳11032）
当科技制造水平越来越高，温度不仅仅作为一个反映周围环境冷热程度的数值，而是更多地参与到了人们的研制和生产中去。在许多设备、整机、武装系统中都需要考虑到温度这个参数，并根据温度来进行相应的运算或调节，但是温度参数在一些情况下是不能直接应用的，需要将它转换成其他形式合适的参数或信号。基于某整机系统中专用的高精度温度转换器进行设计和制造。讨论高精度温度转换器的设计原理和设计制造过程，并对设计要点进行说明。
温度转换；逻辑控制；多芯片集成；高精度；高可靠性
1 引 言
在当前的技术时代里，温度不仅仅作为一个反映周围环境冷热程度的数值，而是更多地参与到了人们的研制和生产当中。在许多科研生产的实际应用中，温度参数需要转换成其他形式的参数或信号，这时就要用温度参数转换电路来实现这一点，以下所述电路即为某型号整机系统中的一种高精度温度参数转换器[1]。
2 电路原理设计
为实现温度参数转换电路的功能,将电路分为三部分：输入部分、控制部分、输出部分。逻辑功能框图见图1。
（1）输入部分
输入部分由温度传感器和运放组成。温度传感器被用来采集外界温度变化信号，经过运算放大器将信号放大，放大的信号作为下一部分的信号输入。
图1 逻辑功能框图
（2）控制部分
控制部分由D/A变换比较器、比较器、加/减控制器、分频器、12位可逆计数器、地址译码控制装置、控制器7个部分组成。
（3）输出部分
由寄存器作为输出部分。在时钟输入端外加512k的时钟信号，经过分频器分频出的信号，作为12位可逆计数器的时钟信号，每给一个时钟，12位可逆计数器就进行一次加一（减一）计数。由上一部分输出的信号作为12位D/A数模转换器的参考电压信号，与计数器输出的12位数据相比较，输出一个模拟电压量，当这个模拟电压的值大于0时，由比较器输出一个高电压，由加减控制单元给出一个正向计数控制信号，使计数器进行加一计数；当模拟电压量的值小于0时，使计数器进行减一计数。寄存器中保存12位可逆计数器中的数据，并由此作为闭环循环，直到计数器中数据与参考电压信号在D/A变换比较器中转换后的数据相同时，由地址译码装置控制寄存器输出计数器的当前数据。由此就可以将外界的温度信号转换成一组12位的数值，实现温度与数字信号之间的转换[2]。
3 电路设计
3.1 基板设计
电路所用的集成电路类型比较多，若采用单芯片集成的方案，工艺兼容性差，集成电路之间干扰严重，实施起来非常困难，因此采用多芯片组装结构，根据集成电路的数量和种类以及相互之间的关系，考虑各部分之间的干扰情况，来确定各个集成电路的位置，然后进行布线[3]。
基板主要设计规则：
信号线宽度：≥0.25mm；
电源线宽度：≥0.3mm；
地线宽度：≥0.3mm；
过孔直径：≥0.25；
导线间距：≥0.25mm；
导线与过孔间距：≥0.25mm；
过孔与过孔间距：≥0.25mm；
基板厚度：≤1.5mm；
芯片之间最小距离：＞0.45mm；
焊盘与芯片之间的距离：0.5mm～1mm；
焊盘最小尺寸：0.2mm×0.2mm。
3.2 制作工艺
在一个多层布线的陶瓷基板上，将所有芯片安装在表面，芯片（元器件）安装工艺为导热胶（绝缘胶和导电胶）粘接工艺，芯片互连工艺采用金丝球焊。将基板封粘接在浅腔式金属外壳（UP5151-68）里面，采用平行缝焊工艺封盖。
(1)基板工艺流程
基板制备采用生瓷材料，高温共烧陶瓷工艺。工艺流程如下：
生瓷制备→下料→冲孔→小孔金属化→丝网印刷→层压→热切→烧结→镀镍→镀金→测试→成品
(2)组装工艺流程
采用多芯片组装工艺，流程如下：
芯片目检、管壳基板清洗→基板粘接（G）→基板粘接质量检查→粘芯片→粘片质量检查→互连线键合（G）→键合质量检查（Q）→密封前内部目检→预烘焙→平行缝焊→外观检查→测试
其中，标G为关键工艺，标Q为质检工序。
4 设计要点
4.1 高精度
精度主要由计数器来体现，电路采用12位计数器，由3个4位计数器组合而成。此配置极大提高了电路的测温精度，电路测温精度为0.0625℃，计数器的12位二进制码最高位为符号位，其余位则以0.0625℃/LSB的形式表示温度值。温度与数据的对应关系见表1。
4.2 可靠性
4.2.1 设计可靠性
首先，确定基板尺寸大小。基板尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；基板尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。经过试验，39mm×39mm的基板可以符合要求。然后对电路进行逻辑分析、计算机仿真并且实际搭建电路进行测试。为了确保电路的可靠工作，首先考虑各个元器件之间的前后匹配的问题，必要时对各个元器件之间的前后匹配进行重新调整，进行各个芯片之间的参数匹配设计，选用合适的器件，确保前极电路对后极电路有足够的驱动能力，后极电路对前极电路有较小的负载。在保证匹配合适的情况下，尽可能选择功耗较小的器件[4]。
表1 温度-数据对应关系
在基板布线设计时，将基板分为两个部分，数字区和模拟区，并单独设计了数字地线和模拟地线层，以提高抗干扰能力。合理分布芯片的位置，使散热均匀。再确定数模转换器、运放、比较器等元件的具体位置。最后，根据电路功能单元，对电路全部元器件进行布局[5]。
布局时应尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间电磁干扰。易受干扰的元器件之间不能距离过近，输入和输出元器件应尽量远离。按照电路流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致方向。布线时，输入输出端导线要尽量避免相邻平行，可用加地线的办法来减小干扰。高频信号线要远离易受干扰的信号线，并加地线保护。
4.2.2 工艺可靠性
电路的基板尺寸比较大，基板和管壳粘接方面的问题是保证其可靠性的重要原素之一。在试验过程中，发现用不导电胶粘接的基板与管壳存在强度问题，有一定的脱离机率；而采用真空烧结工艺将基板烧结在管壳上组装的电路则没有这方面的问题，能够经受住各种严酷环境试验的要求。因此，在组装工艺上使用真空烧结的方式来保证电路的可靠性[6]。
4.3 可测性
在基板布线时，将电路分为几个功能模块，引出运放、比较器、时钟、计数器等控制端和测试点，与外引线相连，使每一个功能块的输入信号可控制，输出功能可检测[7]。这样在没有封盖之前可以进行功能测试，若发现有问题的电路，可以通过测试点的测试来确定问题出现的原因，进而可以找出出问题的元器件，并返修将其替换掉，以此降低电路的制造成本。
5 结束语
所述电路是某整机系统中的关键部件，所用元器件全部为通用器件，功能适应性广，设计稳定可靠，实现了温度分辨率高、转换精度高、性能稳定等目标。其研制成功克服了整机系统的应用瓶颈，为整机的研制成功提供了有力的保障。该电路为国内独立自主研制的产品，具有自主知识产权，避免了因进口而受到的制约，为加强我国电子现代化水平做出了贡献[8]。
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Design and Implementation Based on the Temperature Parameter Conversion Circuit
When technology manufacturing levels are getting higher and higher,temperature is not only a parameter which reflects the environmental heat and cold,but also gets involved in the research and production more and more.In many of the equipment,the complete machine and arming systems,the parameter temperature is taken into account,and is counducted the corresponding operation and adjustment according to the values of temperature,but in some cases the temperature parameters cannot be directly applied,which needs to be converted into other suitable forms of parameters or signal.The design and production is based on a specified high-precision temperature converter of certain complete machine system.The design principle and design course of the high-precision temperature converter is discussed,and the design key points are noted.
VMOSprocess；Driver；Test;J750;Digital waveform;IGBT
10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.007
B
1002-2279-（2017）06-0030-03
作者简介：姜硕，1986年，男，汉族，籍贯山东省昌邑市，工程师，主要研究方向为封装技术。
2017-11-08
