混合微电路H2705T型DC/DC变换器研制

摘要：介绍了H2705T型厚膜集成直流/直流变换器的研制过程，详细论述了电路的工作原理、元器件选取、关键问题的解决办法，以及可靠性设计等内容。

关键词：DC/DC变换器；厚膜集成；混合电路

　

1    引言

    混合微电路H2705T型DC/DC变换器，是为某工程的无线高度表系统配套而研制的新型集成组件。产品主要特点如下：

    1）采用先进的厚膜混合集成电路工艺，成熟的DC/DC直流变换技术和严格完善的生产管理体系使电路结构和线路设计科学合理，质量性能稳定；

    2）开关频率高，变换、整流和滤波简洁高效，纹波干扰小，多路输出，分路控制，微功耗；

    3）输入范围宽（18～36V），并具有欠压、过压、过流保护及死区时间控制功能；

    4）全金属电磁屏蔽，小体积结构设计；

    5）标准全金属模块化封装，便于安装固定，散热性能强，屏蔽性能好，噪声干扰小。

2    电路原理与主要技术指标

2.1    电路原理图

    电路原理图如图1所示。H2705T，输出±5V和＋8V，功率为20W。产品分为3个单元，每个单元提供一路输出，各个单元电路相同，只是部分电路参数不同。下面以＋5V单元为例，说明其工作原理。

图1    H2705T电路原理图

    本电路核心为单端脉宽调制器UC1843，最高工作频率为500kHz，频率稳定度达0.2％，启动电压为7.8V，最高工作电压为30V，具有过流、欠压保护及死区时间控制功能。UC1843各个引脚功能见表1。

表1    UC1843引脚功能

引脚	符号	功能
1	VPAM	补偿
2	VCON	反馈控制
3	ICON	限流检测
4	RC	振荡元件
5	GND	地
6	OUT	调制脉冲输出
7	VCC	电源
8	VREF	基准电压

    集成块IC₁₀₃（UC1843）的脚7为电源端。开机后，V_in通过R₁₁₄对电容C₁₀₆充电，当脚7电压达到启动电压后，启动调制器，使脚6输出第一串宽脉冲，作用于V₁₀₁栅极，推动变压器T₁₀工作，将V_in直流电压变换成两路交流脉冲电压。其中一路经D₁₀₃整流，为集成块IC₁₀₃的脚7供电；另一路经D₁₀₂整流，D₁₀₁续流，L₁₀₁、C₁₀₁、C₁₀₂滤波，实现功率输出。

    稳压环中，R₁₀₁和R₁₀₂对输出电压取样；IC₁₀₁对输出取样进行比较放大，并将比较出的误差电压转换为误差电流，作用于光电耦合器IC₁₀₂的内部发光二极管，经过光耦合，又转换为误差电压，经R₁₀₄传给IC₁₀₃的脚2。IC₁₀₃的内部根据误差电压，校正脚6输出脉冲宽度，最终实现输出稳压。

    保护电路中，主电路由R₁₁₂进行电流取样，经过R₁₁₀传给IC₁₀₃的脚3，实现过电流保护功能。R₁₀₇，R₁₁₁提供脚3过电流保护基准电平；V_in经过D₁作用于V₁基极，一旦有过压现象发生，V₁将关断集成块IC_103～303（UC1843）的脚7电压，停止全电路工作，实现过电压保护功能。

    另外，控制端（C_nt）的高低电平，经过R₁作用于V₁的基极，实现外电路电平控制功能（即C_nt遥控功能）。当C_nt处于高电平或悬空，V₁的基极为高电平，V₁导通，关断集成块IC_103～303（UC1843）的脚7电压，停止全电路工作。反之，当C_nt处于低电平或接－V_in，V₁不导通，电路输出正常。

    因此，C_nt的电平控制功能为：

    ——高电平或悬空，全电路无输出；

    ——低电平或接－V_in，全电路正常输出。

2.2    主要技术指标

    主要技术指标见表2。

表 2    H2705T技 术 指 标

参数		最小	最大	条件
输出电压	Vo1/V	4.8	5.2	Io1=3 A
输出电压	Vo2/V	7.68	8.32	Io2=250 mA
输出电压	Vo3/V	－4.8	－5.2	Io3=200 mA
纹波	Vp_p/mV		30	满载
电压调整率	SV/％		0.3	Io满载，Vin=18～36 V
负载调整率	SI/％		0.4	Vin=27 V，Io从0—满载
效率	η/％	80	—	满载

注 ： 除 非 另 有 规 定 ， 环 境 温 度 为 － 55≤ TA≤ 85℃

　

3    研制过程

3.1    电路参数选取

    电路参数的选取，主要依据计算数据和实验数据。

    UC1843脉宽调制器的选取，主要是考虑该器件属于单端电流型PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良等优点，符合混合集成电路对体积的特殊要求。

    启动电阻、电容取值，要综合考虑启动所需能量、时间和输入电压范围，保证可靠启动，并经过多次实验取得。

    振荡电阻、电容，决定整个电路的工作频率，属于关键元件。其中，电容采用高精度NPO电容，电阻用高稳定性浆料。电阻最小值为1kΩ，电容最大值为0.1μF，频率f≈1.8/RC。为了减小体积，频率尽量提高到400kHz左右。综合这些因素，即可得到电阻电容的数值。

    磁性材料根据高频、高效、小体积、大功率的要求，并留有一定的功率余量，各路输出选取不同的磁芯。

    稳压环路中,IC₁₀₂的基准电压为2.495V，取样电流依据实验数据取得，这两个因素决定了R₁₀₁，R₁₀₂的阻值。

    过电流保护取样电阻的取值，主要依据设计效率，由输出功率换算出主电路电流，制定适当的过流点，计算取样电阻值。为了提高效率，可减小电阻的取值，并利用过流点预设电平（由R₁₀₇，R₁₁₁决定）实现精确保护。

    变压器匝数设计的依据一是变换效率，二是输入、输出电压，三是调制器安全工作脉宽范围。漆包线线径主要依据流经功率或电流选取，一般按2.5A/mm²左右计算。

    输入欠压保护由变压器自馈电绕组匝数决定。

3.2    全电路平面厚膜化及混合集成

    本产品元器件繁多，共有电阻78只，集成电路9块，三极管4只，二极管13只，电容31只，电感3只，变压器3只。产品体积51mm×51mm×13mm。电阻连同导带全部用平面厚膜烧结，使电阻阻值、精度、功率和稳定性得到保证。集成电路、三极管、二极管和电容采用表面贴装元器件，电感和变压器采用小型磁环绕制。

    厚膜技术的应用，缩小了电路体积，提高了电路的稳定性，增强了可靠性。

3.3    关键问题的解决

    1）体积、纹波、热分布与可靠性问题

    由于在标准封装基片上进行二次集成，其有效面积<47mm×47mm，而整个电路包括近140个元器件，整体指标，尤其是纹波噪声和可靠性指标要求高。整个电路的平面化成了关键的问题，具有很大难度，主要采取了以下措施。

    （1）在平面布图过程中，综合考虑线路特点、工艺特点，适合批量生产要求，尽量避免二次导带和介质布图；还要考虑元器件尺寸、布局，精密计算电阻功耗，适当制定电阻导带面积，尽量缩小布图面积，合理分布元器件的平面及空间布局，充分利用基片的每一块面积，最终完成总体布图。

    （2）大、小电流的地线，要分线布图，集中接地；按次序排列元器件去向，避免相互干扰；接近输出端取样，保证输出稳压精度和负载特性。

    （3）尽量保证大功率发热器件紧贴基板或外壳，合理均匀分布热源，避免热源集中，局部过热，留下隐患。

    由于严格按照以上措施进行工作，使纹波噪声和可靠性指标，达到了要求。

    2）电路调试问题

    DC/DC电路生产工艺完成后，会有部分产品的部分技术指标达不到设计要求，这就需要进行电路调试，主要是通过个别元器件参数的微调，校正产品技术参数，达到设计要求，使其成为合格产品。

    电路调试技术要求高，调试过程复杂，单个指标的调整，常常会影响到其它指标。因此，要尽量做到准确、简洁，避免重复操作，造成产品损坏。

    为了减少和简化电路调试，在生产过程中，要严格按工艺操作，避免成膜、贴焊、接线各工序的人为错误。并增设检验检测点，消除低级错误。制定严格详细的调试技术细则，针对不同的情况，给出调试方案。

4    结语

    该产品采用先进的厚膜混合集成电路工艺，电路和结构设计科学合理，电路性能稳定，根据计算预计其可靠性为105h，处于国内先进水平。

    厚膜混合微电路电源模块H2705T的研制成功，推动了厚膜混合集成电路技术的进步，拓宽了厚膜混合集成电路技术的应用领域，为以后基于特殊高密度大功率电路的研制提供了借鉴。