《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高可靠混合集成DC/DC變換器(5V/3A)的設(shè)計
郭清軍,王俊峰
摘要: HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器,采用厚膜工藝、磁隔離方式進行混合集成,封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同。
Abstract:
Key words :

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,DC/DC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到高可靠性,是當今乃至今后高可靠DC/DC變換器的發(fā)展方向。

HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器,采用厚膜工藝、磁隔離方式進行混合集成,封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同。

2電路方案

2.1主要技術(shù)指標

HB2805S15的主要技術(shù)指標見表1。

表1主要技術(shù)指標

項目 參數(shù)指標 單位
輸入電壓范圍 18~36 V
輸出電壓 5.0 V
輸出電流 3 A
輸出電壓紋波 ≤50 mV
電壓調(diào)整率 ≤0.15
負載調(diào)整率 ≤0.3
效率 ≥80
工作溫度范圍 -55~+85

2.2電路結(jié)構(gòu)方案

 

DC/DC拓撲類型主要有:降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、反相型(Buck-Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零電壓(ZVS)零電流(ZCS)型。中小功率的DC/DC電源變換器一般采用單端正激型和雙端推挽型的拓撲結(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Ⅲ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DC/DC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DC/DC變換器的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如圖2所示。

開關(guān)管Q1,Q2在PWM控制器的控制下交替導通,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)Q1,Q2的導通/截止時間,可改變輸出電壓。雙端推挽DC/DC變換器的輸出電壓可表示為:VO=DVi(1)

式中:VO——輸出電壓,V;

Vi——輸入電壓,V;

D——整流管的占空比;

Np——變壓器初級匝數(shù),匝;

Ns——變壓器次級匝數(shù),匝。

3電路設(shè)計

3.1主要元器件

DC/DC變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制器PWM、變壓器、隔離反饋電路以及開關(guān)管和整流管。HB2805S15的PWM選用UC1825A,隔離放大器選用UC1901,變壓器和電感選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

UC1825A是電壓/電流型PWM控制器,輸出峰值電流2A,開關(guān)頻率可達到1MHz,誤差放大器的單位增益帶寬12MHz,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DC/DC變換器。

UC1901隔離放大器是一個脈沖幅度調(diào)制(AM)電路,它包括基準源、誤差放大器、振蕩器、乘法器,最高振蕩頻率5MHz。

PC40系列是TDK公司的產(chǎn)品,其導磁率高,高頻損耗小。

3.2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η;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300kHz。UC1825A的定時元件電阻和電容由式(2)和(3)計算確定:RT=(2)CT=(3)

式中:RT——定時電阻,Ω;

CT——定時電容,F(xiàn);

Dmax——最大占空比;

f——開關(guān)頻率,Hz。

3.3元器件設(shè)計

(1)變壓器的設(shè)計

變壓器是DC/DC變換器的重要元件,主要技術(shù)參數(shù)是初次級匝數(shù)比(n=Np/Ns)和初次級的電感量(Lp,Ls)。變壓器的初級匝數(shù)和次級匝數(shù)由下式得到:Np≥(4)Ns=(5)

式中:Vimax——最大輸入電壓,V;

Vimin——最小輸入電壓,V;

Bm——飽和磁通密度,T;

Ae——磁芯截面積,m2;

VF——整流管正向壓降,V;

VO——輸出電壓,V。

(2)輸出部分的設(shè)計

輸出部分主要是輸出電感L和輸出電容C構(gòu)成的LC低通網(wǎng)絡(luò),電感量和電容值由下式求得:L≥(6)

式中:ΔIL——電感脈動電流(一般取值ΔIL=(10%

~25%)IOmax),A;

Dmin——最小占空比。C≥(F)(7)

式中:ΔVOmax——輸出最高紋波電壓,V。

(3)開關(guān)管和整流管

開關(guān)管的最大電流IPmax由下式求得:IPmax=(IOmax+)+IM(8)

式中:IM——勵磁電流,A;

IOmax——變壓器最大輸出電流,A;

開關(guān)管耐壓VB:

VB≥2Vi(9)

整流管的最大峰值電流IFM:IFM≥IOmax+(10)

整流管的反向截止電壓VRR:VRR≥2即:VRR≥2Vimax(11)

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DC/DC變換器的主要發(fā)熱源,承載著很大的功率,本電路選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

PC40材料的主要參數(shù):

導磁率μ=2300

居里溫度Tc≥215℃

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=1600Gas,達到Ⅰ級降額標準。

(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(VF)小,且隨溫度的升高而降低,可降低整流管導通損耗,有利于提高輸出電壓低時的電路效率。

本電路的輸出電壓5V,輸出電流3A,因此選用肖特基10TQ045,它的最大電流(IFRM)10A,反向重復(fù)峰值電壓(VRRM)45V,符合Ⅰ級降額標準。

(3)開關(guān)管

功率MOSFET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。

當輸入電壓為低壓18V時,流過開關(guān)管的峰值電流取IP=3A;輸入為最高電壓36V時,源漏電壓VDS=2×36+V尖峰(V尖峰是由變壓器漏感產(chǎn)生的)。

選用IRF630,最大漏極電流ID=9A,VDS耐壓200V,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(MOSFET)、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熱膠粘接;

(3)基片材料選用高導熱率的基片,增加熱傳導。

5工藝技術(shù)

電路采用厚膜交叉布線工藝、導帶雙層金加厚工藝,焊接區(qū)設(shè)計為鈀銀(PaAg)加厚。采用MQ10—10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,PIND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DC/DC變換器的重要元件,繞制時嚴格控制匝數(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HB2805S15DC/DC變換器完成了研制,并進行了批量的生產(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列出了電路實際達到的主要技術(shù)指標。

  

圖3電路(滿載)加電和(滿載)斷電時的動態(tài)響應(yīng)

(a)加電(Vi=0→28VVO=5VIO=3A)

(b)斷電(Vi=28V→0V)

圖4電路的輸出電壓紋波噪聲

表2HB2805S159911批測試數(shù)據(jù)

項目 9911-2# 9911-41# 9911-49# 9911-35#
效率η(%) 80.07 80.02 80.01 80.00
負載調(diào)整率SI(%) 0.16 0.15 0.18 0.10
電壓調(diào)整率SV(%) 0.02 0.00 0.00 0.00
輸出紋波Vpp(mV) 5 5 7 7

表3電路達到的主要技術(shù)指標

項目 設(shè)計目標值 實際達到值
效率η(%) ≥80 ≥80
負載調(diào)整率SI(%) ≤0.3 <0.2
電壓調(diào)整率SV(%) ≤0.15 <0.03
輸出紋波Vpp(mV) ≤50 <10

圖3是電路(滿載)加電和(滿載)斷電時的響應(yīng)波形。圖4是電路的輸出電壓紋波噪聲。

 

7結(jié)語

通過HB2805S15的研制,掌握了混合集成DC/DC變換器電路設(shè)計技術(shù),相繼研制開發(fā)5W系列、15W系列、30W系列、70W系列約15個品種的高可靠混合集成DC/DC電源變換器。

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