一种星用SIP 角编码电路的设计与实现

2022-01-25潘美珍余桂周高群

电子设计工程 2022年2期

潘美珍，余桂周，高群

（中国电子科技集团公司第43 研究所，安徽合肥 230022）

星用角编码电路的功能是解算可移动天线两个轴向上的角度位置，并将其转换成并行数字信号输出，实现对天线实际角度的高速、实时采集，从而完成天线对目标的定位、捕获及精确跟踪。因此，角编码电路是卫星天线控制系统的核心部件[1-2]。

从当前卫星（航天器）的发展趋势来看，其对天线的要求朝着高频段、多样化、高性能、可移动（可跟踪）等方向发展，因此对天线控制器也提出了许多新的需求，其中对产品的集成度、轻型化要求越来越高。文中采用一种一体化封装的角编码电路SIP（System-In-Package，系统级封装）实现方案，高度集成了角编码电路，这必然会推动天线控制器的高集成度发展，缩小与国外产品的差距[3]。

1 角编码电路构成与基本原理

卫星天线控制系统中的角编码电路由一路激磁源电路和双路双速轴角转换器电路组成。为提高集成度和通用性，设计的这种一体化封装的SIP 角编码电路[4-7]系统组成框图如图1 所示，该电路包括双路双速轴角转换器电路及激磁电源电路，激磁电源电路为双速轴角转换器以及角度传感器多级旋转变压器提供精确的正弦参考信号[8-10]，双路双速轴角转换器可同时实现双路双速旋转变压器角位置模拟信号到数字信号的转换，通过控制信号分时输出各路角度编码，实现高精度数字转换[11-12]。其基本原理为：激磁电源电路为该角编码电路和多极旋转变压器提供幅值和频率可调的激磁电压。外部两路多极旋转变压器分别产生的粗、精机角位置信号经信号调理电路后输入双速轴角转换电路，再经过双速轴角转换电路，采用纠错原理组合实现内部的模拟到数字的角位置转换，进入下一级电平转换电路。双路双速轴角转换电路单独工作，输出数字信号并行接入电平转换电路，且两路复用，通过外部使能和禁止功能控制单通道数字输出。

2 设计与实现

2.1 设计

1）激磁电源电路设计

激磁电源电路拓扑如图2 所示。

图2 激磁电源电路拓扑

正弦波产生电路通过二阶有源滤波得到基波一次正弦波。为了稳定输出幅值、频率，采用移相电路对正弦信号进行反馈并闭环。正弦波产生电路的频率由移相部分的截止频率确定，其幅值由运放的输入电阻和反馈电阻共同确定，功率放大电路采用典型推挽电路。

由电路稳幅条件可知：

其中，R1=R2、C1=C2为移相90°电路和二阶有源滤波的参数值。

压摆率为：

设计中为了考虑通用性，频率设计为最大10 kHz，应有运放压摆率SR≥2·2π·10k·14 ≈1.75 V/μs，增益带宽积GBW≥1 MHz，增益带宽积选用芯片压摆率如表1 所示。

表1 运放参数

2）双速轴角转换器电路设计

该设计是由双路双速轴角转换器组成的，其中两套单速轴角转换器、同步纠错逻辑电路组成一个完整的双速轴角转换器。

该双速轴角转换器以—种高可靠、通用型的旋转变压器/数字转换器单片集成电路芯片作为核心，具有分辨率高、速度电压可编程、双重带宽、精度高、功耗低及体积小等优点[13-14]，同时采用简单的逻辑元件实现数据组合与数据纠错功能。将精通道高2位和粗通道高5 位分别送到同步纠错逻辑电路，完成模糊误差的判断与纠错。同步纠错逻辑电路的3位输出与精通道的13 位输出组合即完成了16 位双速模拟-数字角的转换，并通过三态锁存器缓冲输出数字角。

从图3 可以看出，粗、精通道转换器的工作原理是相同的，根据粗、精通道数据组合纠错原理[15-16]和实际产品指标要求，需要对粗、精通道转换器分别进行设计，主要差别在于：1）分辨率；2）闭环参数（如跟踪速率、带宽等）。

图3 基于核心芯片的粗、精通道转换器原理图

3）结构设计

总体架构为双面三腔体设计结构，壳体采用ALN 陶瓷金属一体化双腔体封装管壳。ALN 陶瓷金属一体化双腔体封装管壳底座正反两面布线组装，密封在独立腔体内，正反面通过通孔技术实现互连。底座正反表面需组装约110 个元器件，组装工艺包含焊接工艺、粘接工艺、键合工艺等。具体结构图如图4 所示。

图4 结构图

2.2 实现方法

1）双路双速轴角转换器电路及激磁电源电路系统高可靠集成实现方法

该设计实现一体化，内部包含双路轴角双速转换器和一路功率输出的激磁电源，且包含内部信号电平转换、电压转换、输入输出接口控制等功能，产品尺寸要求小于45 mm×37 mm×10 mm，内部电路功能复杂，集成度高，所以设计需要重点考虑器件的集成型选择、抗干扰设计、逻辑时序匹配设计等，完成小体积、多功能的设计目标。

①为了在规定封装尺寸内完成整个电路系统的设计，在器件选用和设计上，首先将旋变解码电路和激磁电源部分的外围电阻全部设计成集成度高、精度高的薄膜电阻网络，单个薄膜电阻网络最高集成10个阻值电阻；再将双路双速轴角转换器硬件纠错电路部分功能电路进行复用设计，减少内部元器件数量。

②由于电路有两个通道双速轴角转换器，且单通道双速轴角转换器电路内部是两路单速轴角转换器电路，为了减少输出引脚数量，设计双路双速轴角转换数字输出引脚复用，设计外部使能和禁止控制端来控制内部各解算电路正常工作及实现分时数字输出功能。根据双速解码电路特点，设计了整个产品的逻辑时序，如图5 所示。

图5 控制逻辑时序图

2）AlN 陶瓷金属一体化封装高可靠结构设计和制造实现方法

SIP 角编码电路依托多层AlN 陶瓷一体化外壳设计，以AlN 陶瓷作为基体[17]，双面三腔，双腔一面采用金锡焊封盖，并作为安装和散热基面，单腔一侧采用金属环框与陶瓷焊接形成封装腔体，为内部电路提供保护和支撑，金属底板和环框与陶瓷采用AgCu共晶高温钎焊，为后续组装提供了较大的温度阶梯空间，但是AlN 陶瓷与金属膨胀系数差异大，焊接空间小，引线密度高，焊接温度高，要形成可靠密封的AlN 陶瓷金属一体化外壳，对外壳结构设计和制造提出了较高的要求。

为使产品满足宇航YB 级或H 级的质量要求，在陶瓷一体化封装体设计时需重点考虑材料选型、外壳结构、外壳散热、外壳密封、引线焊接等问题。

3）空间一体化产品环境热设计与热管理实现方法

SIP 角编码电路由于体积小、集成度高，且内部含部分功率电路，不合理的热设计将会诱发一系列的问题：①出现局部过热，引起晶片结区的烧毁；②温度分布不均，差异过大，影响信号的传输特性；③材料热膨胀系数不匹配引起热应力，产生翘曲、裂纹，甚至导致失效和破坏等。

在空间应用环境中，散热路径主要是热传导。为避免温度分布不均产生局部过热，引起热失效，采取以下措施：

①在芯片布局时，对于功率管等功率密度较高的功率耗散器件，在版图布局中将激磁电源的推挽电路中的驱动三极管摆放在基板的对角位置，减少热积累；

②在外壳设计中，AlN 基板底板焊接环框，环框在安装过程中直接紧贴用户的散热面，使基板产生的热量迅速传导至外部热沉。

首先以激磁电源电路中的驱动三极管芯片为例计算其散热路径的合理性，进行了器件的热阻计算分析：

边界条件：①结温：TJC=85 ℃（150 ℃-65 ℃）（I 级降额）；②功率I 级降额；③热沉基准温度为45 ℃。此时，热源界面至热沉间热阻计算如表2 所示。