高可靠DC/DC变换器模块设计

2007-10-08 11:00:08来源: 电子元器件应用

0 引言

目前,在高端电子设备领域,高等级的DC/DC电源模块主要还是依赖国外进口,因此,尽快实现高质量等级DC/DC电源模块国产化迫在眉睫。本文以一种质量等级为H级的DC/DC电源模块的设计为例,从电路、工艺等方面详细介绍了H级DC/DC电源模块的设计思想。

1 模块主要指标

该DC/DC电源模块是为整机配套使用的。其要求的输入电压为20~35V,输出电压为10~10.1V/10~10.2 V(-55℃~+125CIC)、5~-5.1V/5~-5.2 V(一55℃~+125℃),负载调整率和电压调整率均小于1%,输出纹波电压小于40 Mv

2 电路设计

2.1 非平衡双路功率电压输出设计

在DC/DC变换器设计中,对于两路输出功率不相等的模块来说,其设计主要有两种方法:一是采用变压器绕组,并利用耦合电感和低压稳压电路进行二次稳压方法。二是采用变压器次级多绕组来分别输出两路相对独立的电压。其中方法一虽然可以提高电路的稳定度,保证输出电压的精度,但是会增加电路的损耗,因为二次稳压电路的输入和输出电压差越小,稳压电路功耗就越小,而该项目两路输出功率相差很大(分别为55W和2.5 W),主路功率变化范围也较大。而若采用方法二,又由于反馈只能控制一路电压,所以只能有一路输出电压的精度得到保证,另一路电压只能靠变压器和滤波电感预稳,而主路输出功率变化较大又必然带来辅路变压器次级电压的较大变化,因而无法保证输出电压的精度。为此,本设计采用两路输出来分别独立地控制和反馈,这样既可以精确控制输出电压,又可以减小因二次稳压带来的损耗。

2.2变压器的设计

设计变压器时,应首先合理选择磁芯材料。磁芯材料需考虑的最主要因数是它在工作频率处的损耗和应用磁通密度。确定了模块工作频率后.即可根据制造商提供的手册确定材料的具体型号,然后查出模块在最恶劣使用环境条件下的磁通饱和密度,再由此确定使用最大磁通密度,以保证变压器始终不会工作在饱和点,提高模块的可靠性。

如果设定的工作频率为500 kHz,通过手册可以查到:TDK公司的PC40,PC95系列以及SIEMENS公司的N67系列都可以满足要求。确定了具体的磁芯型号、形状和尺寸后,便可以查到该型号在125℃时的磁通饱和密度Bs,然后根据降额设计选择最大磁通密度为0.2Bs,在确定BMAX后,就可以根据下式计算出变压器的原边匝数:



式中,Kf为波形系数(方波时为4),为开关频率(Hz);Ae是磁芯有效面积(m2),BMAX为磁通密度(T),Vi为输入电压(V),Np为原边匝数。

由原边匝数便可计算出变压器的副边匝数:



式中,Np为副边匝数,ViIN为原边最小输人电压。由于和变压器相关的损耗主要有磁滞、涡流和电阻损耗。磁滞损耗与绕组的匝数有关。它决定了每个工作周期磁场力所作的功。该损耗可以由下式给出:

式中,Kh瓦为材料的磁滞损耗常数,Vc是磁芯体积,单位cm3,fSW为开关频率,单位为Hz,BMAX是最大工作磁通密度,单位T。

由(3)式所见,损耗与开关频率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此,在设计时,应在优选具有高导磁率、高频损耗小的磁芯作变压器磁芯的前提下,还要合理设定BMAX,并通过合理设计匝数来减小变压器的磁滞损耗。

2.3反馈补偿电路的设计

众所周知,负反馈环是开关电源的核心部分,它保持输出电压的恒定主要是通过采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的误差,从而实现这一功能的。由于实际应用中存在负载变化和输入电压变化,所以要求误差放大器对这些变化能有快速响应,并且不会因此产生振荡而造成整个系统的不稳定。

设计误差放大器补偿电路应遵循以下原则:首先在所有增益大于0dB的频率处,其闭环相位应不超过-360°,在实际设计中,一般选择小于300°;其次,闭环增益的穿越频率尽可能高,直流增益尽可能大,这样有利于提高系统的调节精度和瞬态响应;最后,闭环增益曲线的斜率应以-20Db/dec下降。

由于不同电源采用的控制方式不同,相应的补偿方式也不同,本文采用电流型控制方式,采用的补偿方式为极点一零点补偿。其电路如图1所示。这种补偿方法在直流处有一个极点,可通过提高误差放大器的开环增益来改善输出调节性能。在输出滤波器最低极点频率或以下处引入一个零点,可以补偿滤波器极点引起的相位滞后。

由于采用两路输出分别独立控制和反馈的电路比较复杂,组装密度较高,所以,引线之间、引线和元器件之间、引线与机壳之间的干扰必然增大;另外,该电路工作在开关状态,各单元电路之间因有脉动电流和噪声,因此容易通过电源内阻、引线等公共阻抗形成耦合噪声。

设计时首先可在电路中增设滤波环节来抑制耦合噪声,另外可在导线布局上尽量减小公共阻抗,合理设置接地点,并减小电源内阻来降低噪声,同时可将信号线与噪声源及流过脉动电流的引线分离,以减弱耦合噪声。

其次应在设计中尽可能降低噪声的产生。开关二极管反向恢复时间里引起的短路尖峰电流是造成模块噪声的主要原因。该设计时可采用反向恢复时间较快的肖特基二极管,并根据具体输出情况合理选型,适当降额设计也可较好的抑制噪声。对于高频变压器工作时产生的噪声,可在模块设计中采用去耦和屏蔽的方法来降低干扰。该模块的输出纹波峰峰值小于40 mV。

3 产品的可靠性设计

由于要求该产品的质量等级为H级,因此,产品不仅要通过鉴定QCI检验,还要通过QML检验。试验条件按GJB548A-96和GJB2438A-2002要求进行。QML的主要试验条件如表1所列。

由表1可见,本产品所经受的试验相当严酷。由于要求产品在全温范围(-55℃~+125℃)内长期可靠地工作,所以,无论从电路设计还是工艺结构上,都要考虑到可靠性设计。

3.1 可靠性优化设计

首先,从设计上考虑,电路结构要尽量简化,既要实现电路性能,又要简化元器件的品种与数量,减小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次,初步设计完成后还要采用可靠性综合分析软件进行分析和验证,发现不足之处,再进行改进和提高。最后合理设计各项参数,使产品工作在最佳状态。

3.2 降额设计

元器件的电应力包括电流应力及电压应力。元器件的降额设计能有效提高产品的可靠性。降额系数一般为0.5~0.8倍。如输入电压为1 6~40V,采用的输入电容器的额定电压为50V,且应具有2.5倍的耐压能力;输出电压为5V,采用的整流二极管反向耐压为45 V;输出电压为10 V,所选用的整流二极管的反向耐压为100 V等。

3.3 热设计

由于DC/DC变换器为功率模块,产品又要在125℃下长期可靠工作,因此,热设计至关重要。设计时可采用热分析软件及红外热像仪进行分析、设计、改进。其具体技术措施如下:

(1)输入/输出滤波回路可采用可靠性较高的片状独石电容器来取代传统的钽电容,以避免钽电容在高温下失效;

(2)尽量提高产品的效率。可选用低功耗的元器件,变压器的合理化设计可有效减小产品的内部功耗,同时减少产品的温升。产品在小型化设计时,在布局上,热源要均匀分布(如VMOS管、整流管等热源),以避免热量集中于产品的某一局部;

(3)热源与基片、基片与外壳间要充分地接触,可采用载流焊方式,而不要采用粘接方式,这样可减少热阻,避免产品的热积累;

3.4 工艺上的可靠性设计

为了满足产品各种应力试验的要求,可通过以下几方面来进行工艺设计:

(1)工艺上可采用厚膜多层布线工艺,布线层数在三层以上,线宽与线间距可在200μm,电路中的电阻一般应选用膜层电阻,并采用激光修调技术使阻值达到电路设计要求。

(2)由于该产品是高壳温(125℃)产品,水汽含量的控制是一个难点。通过对相关设备的改造和工艺研究,以及对真空烘烤工艺参数进行的反复实验,可以得到合适的数据,以有效地控制封口时的气氛,使水气含量小于5000 pm;氧含量小于2000 pm,从而确保产品长期使用的可靠性。

(3)在DC/DC变换器的内部结构中,基板与外壳、基板与元器件之间均存在一定的温度应力。为了满足产品的H级要求,需对应力集中点和抗机械强度进行分析。通过基板表面金属化设计和对基板表面膜层厚度进行控制,基板与底座之间可以满足上述应力条件。通过对相关元器件的合理选型以及对体积较大器件采用合理的焊接工艺,也可有效地解决元件与基板之间的粘接强度问题。 在DC/DC变换器的内部结构中,体积最大、重量最重的元器件就是变压器和电感,由于其磁性材料脆性大、易碎,它与A12O3基板之间的热膨胀系数相差也较大,因此,在设计上,内部结构可采用基板对称分布,来把变压器和电感直接粘接在底座上。这样一来可避免温度应力带来的开裂;二来可缩小基片面积,从而避免在基板局部形成不平衡的重力点而导致基板在机械冲击中开裂:三来也对变压器的散热有好处。

(4)通过选用合适的导电胶和环氧胶,以便对工艺参数、操作程序和各种胶与粘接元件之间的匹配特性进行研究和优化,也可以达到高可靠粘接的目的;例如针对变压器来说,选用一种合适的粘接胶来粘接变压器,不仅会有一定的抗拉强度,还具备一定的韧性,其温度特性与磁罐材料相匹配也能确保磁罐在温度循环中不开裂。

(5)优化焊接和键合技术。应对不同型号的焊膏,焊锡丝的组成成分、强度特性和温度系数进行对比和分析,以确定最佳的焊接材料,从而确保焊接元件的高可靠性;对25μm Au和200μmA1丝工艺进行试验,可以确定以固化,同时也可以避免金铝丝键合的失效。

4 验证结果

目前,该产品已顺利通过信息产业部五所的直接QML检验,并已通过鉴定。其产品的主要技术指标和实测指标比较如表2所列。

5 结束语

本文从电路、工艺和可靠性设计等方面详细介绍了H级DC/DC电源模块的设计思想,以期对同类产品的设计起到借鉴的作用。

关键字:负载  电压  纹波  功耗

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