一款双面组装的三路芯片化DC/DC变换器设计

何 妮，杨三成，张 虹

（陕西华经微电子股份有限公司微电路事业部，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着航空航天的不断发展，对高可靠、小体积、多路输出独立控制的DC/DC变换器的需求量逐渐增多，采用厚膜电路工艺制造高可靠、多路输出独立控制的DC/DC变换器的需求更为明显。根据这一市场供需情况，陕西华经微电子股份有限公司根据用户需求，自主研发了双面组装、三路独立控制的新型芯片化DC/DC变换器电源模块。该模块在使用方面比其他同类型DC/DC变化器更加灵活，应用领域更宽广，各项指标优于同类型其他产品[1]。

1 研制目标

1.1 主要指标

（1）输入电压UI=18～36 V，中心电压为（+28±0.5）V；（2）输出电压为（+5.1±0.1）V、（+5.1±0.1）V、（+27±0.2）V；（3）电压调整度SV1≤50 mV、SV2≤ 50 mV、SV3≤ 100 mV；（4）负载调整度SI1≤50 mV、SI2≤50 mV、SI3≤ 100 mV；（5）纹波电压要求URIP1≤50 mV、URIP2≤50 mV、URIP3≤100 mV； （6）输出电流1 A（+5.1 V）、0.2 A（+5.1 V）、1A（+27 V）； （7）效率≥75%；（8）三路输出独立控制。

1.2 外形尺寸

产品的外壳尺寸为67 mm×51 mm×17 mm。采用双排横插式外壳，平行缝焊式封装结构，壳体型号FPP5050-12。

2 设计原理与技术难点、关键问题的解决

2.1 总体方案设计

结合用户要求，经过综合分析确定选用正激式拓扑结构。内置三路独立的控制回路，采用光耦隔离反馈来完成产品设计，原理框图见图1。

本次电路总体线路由3组完全独立的电源线路组成。分别为输出1路（+5.1±0.1）V、输出2路（+5.1±0.1）V和输出3路（+27±0.2）V。本次电路设计的优点是每个电路是独立自主控制，负载变化时对每一路输出端电压的影响非常小，输出的电压精准度很高，输出端电压的变化跟随输入端电压变化和输出端负载变化很微小[2]。

2.2 工艺设计

依据该电源的技术性能指标和我公司成熟的工艺以及多年研制电源模块的经验，根据线路原理与体积的要求，最终确定该电路使用裸芯片形式进行生产组装，采用陶瓷基片进行散热，12脚金属封装外壳。采用混合集成成膜工艺和装配工艺，成膜工艺包括制版、印刷、烧结、调阻4道工序，厚膜混合集成电路装配工艺包括焊接、黏接、键合、封装、筛选等工序。各道工序之间互相配合，成熟的工艺水平确保了产品质量水平以及可靠性，具有很强的批生产能力和科研技术攻关能力，平行缝焊封装，印刷导体的基片材料选用96% Al2O3陶瓷。产品中集成电路、MOS管、三极管、二极管均采用裸芯片。

2.3 结构设计

结合用户对产品密封性的要求，选取了平行缝焊形式的金属外壳结构，根据产品的外形要求、温度范围等条件，结合成熟的元器件配套情况和军工产品的所有标准外壳，采用金属外壳FPP5050-12的封装结构，将常见的壳体底部移至壳体中间位置，靠近侧引线的位置预留出组装槽，便于正反面组装。

2.4 电路原理设计

研制的产品由3组独立的电源线路控制组成。分别为输出1路（+5.1±0.1）V、输出2路（+5.1±0.1）V和输出3路（+27±0.2）V。因此，采用单端正激模式电流拓扑来完成设计。DC/DC变换器的电路原理见图1。

图1 27V/1A电路原理图

本次设计采用单端正激式DC/DC变换器，由输入端滤波网络电路、脉宽调制器、保护部分电路及输出滤波网络电路等组成。

在电路输入端设计了π型滤波，以控制供电系统部分工作时与DC/DC电源模块相互之间的干扰。线路前一部分的电路工作与反激式大体相同，正激模式电路相对比较简洁一些，和反激式相比较，电路输出端多增加了一个储能型滤波电感和一个续流二极管，所以正激式电源的外形尺寸较反激式电源的外形要大一些。线路中变压器的初级线圈绕组被直流电压触发时，变压器的次级绕组未能向输出的负载供给功率输出，只是在变压器初级线圈绕组上的激励电压被完全打开后，才能向输出端的负载供给功率输出。正激式电源的线路使用的变压器不用开气隙[3]。

该电路为三路独立直流—直流电源。脉宽调制器（UC公司）组成了振荡电路，用来控制MOS管的工作，输入电压经过变压、整流、稳压及滤波等电路，产品稳定输出。反馈部分的电路由取样和放大及调整几个电路部分组成，利用光耦来控制调制器的反馈端。输出电压UO产生变化时，R14、R15取样端电压随之产生变化，电压基准源N3，与N3内部的基准进行比较，再通过高倍数的误差放大，转换为电流形式，作用到光耦N2上，经过N2内部的隔离反馈，改变PWM调制器N1的脉冲宽度，再调整开关管导通时的占空比，实现稳定电压的目标。+27 V工作原理与两路5.1 V相同。

2.4.1 输入滤波电路

电路输入端滤波电路的作用主要有两点：①有效控制输入电压的电源线上带的高频段电压信号干扰；②控制电源模块工作时产生的高频段干扰再叠加到输入端的电源线上。

输入端滤波元件的选取：π型滤波，由电容C1、C2电感L1组成。前一级电感滤波的设计，侧重于解决母线上被反射纹波污染的问题。滤波电感的电感量设计不能过大，易引起电路的振荡，干扰瞬态响应和启动指标的特性；电感量也不能过于小，不然就发挥不到最大作用。

2.4.2 PWM控制电路

本次电路设计采用的PWM控制器有速度高、损耗低等优点，控制器内部主要集成了工作频率不变的电流式控制和离线式及DC/DC电源需具备的控制电路、驱动电路，和同类型类似芯片比较，它是用于电流模式单端变换器的控制。和电压型PWM相比较，电流型PWM的电压调整率、负载调整率性能更加良好，可以改善系统整体的稳定性和动态特性[4]。

PWM控制器主要参数：工作电压7.2～12 V，内部软启动功能、工作频率最大为1 MHz、工作时的最大占空比为100%、输出驱动电流最大1 A，可以工作的温度范围为-55～125 ℃。

2.4.3 启动和自供电电路介绍

PWM脉宽调制器集成块N1的P7脚为芯片提供电压UCC。当输入端的电压UCC低于芯片工作需要的开启电压时，芯片就会不工作；当输入端的电压UCC高过芯片的内部稳定电压时，芯片就有可能被损伤。为了保障集成电路正常稳定的工作且不被损伤，也考虑到MOS管的最佳工作电压为10 V左右，经过各方面考虑、分析，采用V3、V1、R1、R2组成了线性稳压源供电给集成电路，如图1所示，供电电路中稳压管V1为12 V，则供电电压为11.3 V左右。

设计时，将需要和变压器、电感连接的陶瓷基板上的焊接点设计在靠近变压器、电感的位置，防止焊接时连线不整齐，加严控制变压器、电感出线口的出线尺寸。焊接工序完成后，对变压器、电感的出线位置进行整理，顺着壳体内壁整线，但同时也要确保不能与壳体内壁接触，并使用具有弹性的专业固定胶对漆包线进行牢靠固定，可以避免产品出现绝缘指标达不到要求的问题，也为产品内部多余物控制提供了强有力的保障。

综合以上介绍，本次电路设计的优点是每一路输出都是独立控制，输出负载变化对输出电压的影响很小，具有很高的输出电压精度，输出电压变化随输入电压变化及输出端负载产生的变化很微小，因为产品的每一路负载对全部的输出端电压影响都非常小，所以更加适合于整机的调试和更宽领域的推广应用。

2.5 技术难点及关键问题的解决

2.5.1 元件的选取

元器件及壳体均采购于军用合格供应商和专业外壳生产厂家，保证各种材料的批量采购，壳体材料选用10号冷轧钢，此材料的热膨胀系数几乎接近7×10-6/℃，散热性能良好。采用这种浅腔壳体、平行缝焊结构，满足了水汽含量的指标要求，提高了产品密封性（漏气率达10-7atm·cm3/s数量级），增加了线路内部的各种保护功能，保障了电路长期的可靠性，避免了采用锡焊工艺在用助焊剂后导致产品内部污染的问题，同时此外壳具有抗耐湿、盐雾特性，满足用户使用环境要求。所有使用的元件均达到军级以上，集成电路、MOS开关管、二极管、三极管这些元器件都选用裸芯片器件，所有片式电容、片式电阻均达到普军等级[5]。

2.5.2 电源输出噪声

DC/DC变换器在工作时，电路内部电压和电流所产生的波形基本全是在较短时间上升或下降的，因此开关电源自身就属于是噪声发生源。所有的开关电源按照噪声干扰源类型可以划分成尖峰干扰、谐波干扰两类。要使开关电源发生的干扰不会对整个电网和整个电子系统造成影响的最根本方法是利用耗能电路来减小噪声的发生源，或是直接断开噪声与电网、电子系统之间所有的耦合途径。

要降低产品输出纹波，重点是在电路的设计、平面布图和元器件选取上采取有效措施。有以下几个方面：在进行平面版图布线时合理的排列元器件的位置，尽量使电磁干扰在同一平面，避免立体空间之间的相互干扰，当电路封入外壳时，屏蔽效果最大化；平面布图时，强信号与弱信号的地线分开，最后单点接地；使用性能合适的电感和变压器；在变压器的初级绕组和次级绕组之间利用阻容阻尼网络进一步减小电磁干扰；电路的输出端利用滤波网络消除干扰。

因为DC/DC变换器是整机系统中相对比较大的干扰源，所以用户提出产品输出要做到低纹波。该产品内部可用体积为48 mm×48 mm×16 mm，但是因为磁罐的高度问题，需要留出磁罐的位置，这样正面陶瓷基片可用面积仅为39.6 mm×32.1 mm。背面两路输出，背面陶瓷基片一分为二，减小单片基片的面积，一片基片上承载一路电源线路，这样也有效地避免了出现陶瓷基片开裂的情况。此时，磁罐在整个产品的中上部，滤波电容为每路两只电容并联。但因磁罐与外壳距离太近在组装时比较困难，在生产中存在可操作性差和合格率低等弊端。经反复优化布图，将背面磁罐调整到整个产品的右上部，不仅避开了磁罐和外壳，每路还多留出了一个电容的位置，这样不但提高了可靠性还节省了空间。但这样做增加了内连线长度，不过因为增加了输出电容，所以输出并未受到影响反而减小了纹波，这样就解决了可靠性等问题。

2.5.3 正反面组装问题

该产品为三路稳压电源输出，3个独立单元分别为输出A路（+5.1 V/1 A）、输出B路（+5.1 V/0.2 A）、输出C路（+27 V/1 A），总功率33 W。这三路输出电压要求分别独立控制且不共地，电路设计及排版组装难度大。

经过反复试验，最终确定该产品采取正反两面组装，考虑到功率大小及一致性、可操作性，将输出+5.1 V/1 A和输出+5.1 V/0.2 A放在同一面进行组装，这两路电源选取的变压器高度统一，有效节省了空间；将输出+27 V/1 A单独放在另外一面进行组装，该路输出功率（27 W）较大，变压器尺寸较大，高度超出了外壳尺寸，为了解决这一问题，进行外形结构设计时，保证外壳可靠性的同时，在变压器对应的外壳黏接处向下铣槽，这样既解决了高度问题，同时也不影响变压器的散热效果。

在产品壳体内部预留足够正反面组装的连接槽，以便于引脚的焊接与过线，这样既可以解决正、反两面的电路连接问题，同时也提高了产品的可靠性。

产品在进行裸芯片黏接和金丝键合时，采取单面分别先进行裸芯片黏接、烘干，再进行另外一面的黏接、烘干，金丝键合也是分开进行，在金丝键合工作台上使用专业夹具对产品进行可靠固定，确保键合可靠性。这样有效提高了产品的可操作性，同时也提高了操作人员的工作效率，为检验人员提供了便利条件。

该产品采用96%的AL2O3陶瓷作为线路的基板，基板与外壳之间是通过高温环氧树脂进行黏接，黏接牢靠，正反面组装解决了体积小、三路输出无法分布的难点。

3 结 论

该产品经专业检测机构检测，各项技术指标达到用户及相关文件要求。用户委托陕西华经微电子股份有限公司进行鉴定检验，鉴定检验合格。该产品的研制成功，解决了目前市场对三路独立控制DC/DC变换器的供需问题，可以在其他应用领域推广，有良好的应用前景。