1、高可靠dcdc變換器模塊設(shè)計(jì)目前，在高端設(shè)備領(lǐng)域，高等級的dcdc主要還是依靠國外進(jìn)口，因此，盡快實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量等級dcdc電源模塊國產(chǎn)化燃眉之急。本文以一種質(zhì)量等級為h級的dcdc電源模塊的設(shè)計(jì)為例，從、工藝等方面具體介紹了h級dcdc電源模塊的設(shè)計(jì)思想。1 模塊主要指標(biāo)該dcdc電源模塊是為整機(jī)配套用法的。其要求的輸入為2035v，輸出電壓為10101v10102 v(55125cic)、551v552 v(一55125)，負(fù)載調(diào)節(jié)率和電壓調(diào)節(jié)率均小于1，輸出紋波電壓小于40 mv2 電路設(shè)計(jì)21 非平衡雙路功率電壓輸出設(shè)計(jì)在dcdc變換器設(shè)計(jì)中，對于兩路輸出功率不相等的模塊來說，其設(shè)計(jì)主要有

2、兩種辦法：一是采納繞組，并利用耦合和低壓穩(wěn)壓電路舉行二次穩(wěn)壓辦法。二是采納變壓器次級多繞組來分離輸出兩路相對自立的電壓。其中辦法一雖然可以提高電路的穩(wěn)定度，保證輸出電壓的精度，但是會增強(qiáng)電路的損耗，由于二次穩(wěn)壓電路的輸入和輸出電壓差越小，穩(wěn)壓電路功耗就越小，而該項(xiàng)目兩路輸出功率相差很大(分離為55w和25 w)，主路功率變幻范圍也較大。而若采納辦法二，又因?yàn)榉答佒荒芸刂埔宦冯妷海灾荒苡幸宦份敵鲭妷旱木鹊玫奖ＷC，另一路電壓只能靠變壓器和濾波電感預(yù)穩(wěn)，而主路輸出功率變幻較大又必定帶來輔路變壓器次級電壓的較大變幻，因而無法保證輸出電壓的精度。為此，本設(shè)計(jì)采納兩路輸出來分離自立地控制和反饋，這樣

3、既可以精確控制輸出電壓，又可以減小因二次穩(wěn)壓帶來的損耗。22變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變壓器時，應(yīng)首先合理挑選磁芯材料。磁芯材料需考慮的最主要因數(shù)是它在工作頻率處的損耗和應(yīng)用磁通密度。確定了模塊工作頻率后即可按照創(chuàng)造商提供的手冊確定材料的詳細(xì)型號，然后查出模塊在最惡劣用法環(huán)境條件下的磁通飽和密度，再由此確定用法最大磁通密度，以保證變壓器始終不會工作在飽和點(diǎn)，提高模塊的牢靠性。假如設(shè)定的工作頻率為500 khz，通過手冊可以查到：tdk公司的pc40，pc95系列以及siemens公司的n67系列都可以滿足要求。確定了詳細(xì)的磁芯型號、外形和尺寸后，便可以查到該型號在125時的磁通飽和密度bs，然后按照降額

4、設(shè)計(jì)挑選最大磁通密度為02bs，在確定bmax后，就可以按照下式計(jì)算出變壓器的原邊匝數(shù)：式中，kf為波形系數(shù)(方波時為4)，為開關(guān)頻率(hz)；ae是磁芯有效面積(m2)，bmax為磁通密度(t)，vi為輸入電壓(v)，np為原邊匝數(shù)。由原邊匝數(shù)便可計(jì)算出變壓器的副邊匝數(shù)：式中，np為副邊匝數(shù)，viin為原邊最小輸人電壓。因?yàn)楹妥儔浩飨嚓P(guān)的損耗主要有磁滯、渦流和損耗。磁滯損耗與繞組的匝數(shù)有關(guān)。它打算了每個工作周期磁場力所作的功。該損耗可以由下式給出：式中，kh瓦為材料的磁滯損耗常數(shù)，vc是磁芯體積，單位cm3，fsw為開關(guān)頻率，單位為hz，bmax是最大工作磁通密度，單位t。由(3)式所見，損

5、耗與開關(guān)頻率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在設(shè)計(jì)時，應(yīng)在優(yōu)選具有高導(dǎo)磁率、高頻損耗小的磁芯作變壓器磁芯的前提下，還要合理設(shè)定bmax，并通過合理設(shè)計(jì)匝數(shù)來減小變壓器的磁滯損耗。23反饋補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)盡人皆知，負(fù)反饋環(huán)是的核心部分，它保持輸出電壓的恒定主要是通過采納誤差來減小輸出電壓與抱負(fù)參考電壓的誤差，從而實(shí)現(xiàn)這一功能的。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中存在負(fù)載變幻和輸入電壓變幻，所以要求誤差放大器對這些變幻能有迅速響應(yīng)，并且不會因此產(chǎn)生振蕩而造成囫圇系統(tǒng)的不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)誤差放大器補(bǔ)償電路應(yīng)遵循以下原則：首先在全部增益大于0db的頻率處，其閉環(huán)相位應(yīng)不超過360°，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，普通挑選小于

6、300°；第二，閉環(huán)增益的穿越頻率盡可能高，直流增益盡可能大，這樣有利于提高系統(tǒng)的調(diào)整精度和瞬態(tài)響應(yīng)；最后，閉環(huán)增益曲線的斜率應(yīng)以20dbdec下降。因?yàn)椴煌娫床杉{的控制方式不同，相應(yīng)的補(bǔ)償方式也不同，本文采納型控制方式，采納的補(bǔ)償方式為極點(diǎn)一零點(diǎn)補(bǔ)償。其電路1所示。這種補(bǔ)償辦法在直流處有一個極點(diǎn)，可通過提高誤差放大器的開環(huán)增益來充實(shí)輸出調(diào)整性能。在輸出最低極點(diǎn)頻率或以下處引入一個零點(diǎn)，可以補(bǔ)償濾波器極點(diǎn)引起的相位滯后。因?yàn)椴杉{兩路輸出分離自立控制和反饋的電路比較復(fù)雜，組裝密度較高，所以，引線之間、引線和元器件之間、引線與機(jī)殼之間的干擾必定增大；另外，該電路工作在開關(guān)狀態(tài)，各單元電

7、路之間因有脈動電流和噪聲，因此簡單通過電源內(nèi)阻、引線等公共阻抗形成耦合噪聲。設(shè)計(jì)時首先可在電路中增設(shè)濾波環(huán)節(jié)來抑制耦合噪聲，另外可在導(dǎo)線布局上盡量減小公共阻抗，合理設(shè)置接地點(diǎn)，并減小電源內(nèi)阻來降低噪聲，同時可將信號線與噪聲源及流過脈動電流的引線分別，以削弱耦合噪聲。第二應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡可能降低噪聲的產(chǎn)生。開關(guān)反向復(fù)原時光里引起的短路尖峰電流是造成模塊噪聲的主要緣由。該設(shè)計(jì)時可采納反向復(fù)原時光較快的肖特基二極管，并按照詳細(xì)輸出狀況合理選型，適當(dāng)降額設(shè)計(jì)也可較好的抑制噪聲。對于高頻變壓器工作時產(chǎn)生的噪聲，可在模塊設(shè)計(jì)中采納去耦和屏蔽的辦法來降低干擾。該模塊的輸出紋波峰峰值小于40 mv。3 產(chǎn)品的牢靠

8、性設(shè)計(jì)因?yàn)橐笤摦a(chǎn)品的質(zhì)量等級為h級，因此，產(chǎn)品不僅要通過鑒定qci檢驗(yàn)，還要通過qml檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件按gjb548a96和gjb2438a2002要求舉行。qml的主要實(shí)驗(yàn)條件如表1所列。由表1可見，本產(chǎn)品所經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)相當(dāng)嚴(yán)酷。因?yàn)橐螽a(chǎn)品在全溫范圍(55125)內(nèi)長久牢靠地工作，所以，無論從電路設(shè)計(jì)還是工藝結(jié)構(gòu)上，都要考慮到牢靠性設(shè)計(jì)。31 牢靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)首先，從設(shè)計(jì)上考慮，電路結(jié)構(gòu)要盡量簡化，既要實(shí)現(xiàn)電路性能，又要簡化元器件的品種與數(shù)量，減小因元器件的失效造成牢靠性的降低。第二，初步設(shè)計(jì)完成后還要采納牢靠性綜合分析軟件舉行分析和驗(yàn)證，發(fā)覺不足之處，再舉行改進(jìn)和提高。最后合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，

9、使產(chǎn)品工作在最佳狀態(tài)。32 降額設(shè)計(jì)元器件的電應(yīng)力包括電流應(yīng)力及電壓應(yīng)力。元器件的降額設(shè)計(jì)能有效提高產(chǎn)品的牢靠性。降額系數(shù)普通為0508倍。如輸入電壓為1 640v，采納的輸入器的額定電壓為50v，且應(yīng)具有25倍的耐壓能力；輸出電壓為5v，采納的整流二極管反向耐壓為45 v；輸出電壓為10 v，所選用的整流二極管的反向耐壓為100 v等。33 熱設(shè)計(jì)因?yàn)閐cdc變換器為功率模塊，產(chǎn)品又要在125下長久牢靠工作，因此，熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時可采納熱分析軟件及熱像儀舉行分析、設(shè)計(jì)、改進(jìn)。其詳細(xì)技術(shù)措施如下：(1)輸入輸出濾波回路可采納牢靠性較高的片狀獨(dú)石來取代傳統(tǒng)的鉭電容，以避開鉭電容在高溫下失效

10、；(2)盡量提高產(chǎn)品的效率。可選用低功耗的元器件，變壓器的合理化設(shè)計(jì)可有效減小產(chǎn)品的內(nèi)部功耗，同時削減產(chǎn)品的溫升。產(chǎn)品在小型化設(shè)計(jì)時，在布局上，熱源要勻稱分布(如vmos管、整流管等熱源)，以避開熱量集中于產(chǎn)品的某一局部；(3)熱源與基片、基片與外殼間要充分地接觸，可采納載流焊方式，而不要采納粘接方式，這樣可削減熱阻，避開產(chǎn)品的熱堆積；34 工藝上的牢靠性設(shè)計(jì)為了滿足產(chǎn)品各種應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的要求，可通過以下幾方面來舉行工藝設(shè)計(jì)：(1)工藝上可采納厚膜多層布線工藝，布線層數(shù)在三層以上，線寬與線間距可在200m，電路中的電阻普通應(yīng)選用膜層電阻，并采納激光修調(diào)技術(shù)使阻值達(dá)到電路設(shè)計(jì)要求。(2)因?yàn)樵摦a(chǎn)品是

11、高殼溫(125)產(chǎn)品，水汽含量的控制是一個難點(diǎn)。通過對相關(guān)設(shè)備的改造和工藝討論，以及對真空烘烤工藝參數(shù)舉行的反復(fù)試驗(yàn)，可以得到合適的數(shù)據(jù)，以有效地控制封口時的氣氛，使水氣含量小于5000 pm；氧含量小于2000 pm，從而確保產(chǎn)品長久用法的牢靠性。(3)在dcdc變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，基板與外殼、基板與元器件之間均存在一定的溫度應(yīng)力。為了滿足產(chǎn)品的h級要求，需對應(yīng)力集中點(diǎn)和抗機(jī)械強(qiáng)度舉行分析。通過基板表面金屬化設(shè)計(jì)和對基板表面膜層厚度舉行控制，基板與底座之間可以滿足上述應(yīng)力條件。通過對相關(guān)元器件的合理選型以及對體積較大器件采納合理的焊接工藝，也可有效地解決元件與基板之間的粘接強(qiáng)度問題。 在dc

12、dc變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，體積最大、分量最重的元器件就是變壓器和電感，因?yàn)槠浯判圆牧洗嘈源蟆⒁姿椋ca12o3基板之間的熱膨脹系數(shù)相差也較大，因此，在設(shè)計(jì)上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采納基板對稱分布，來把變壓器和電感挺直粘接在底座上。這樣一來可避開溫度應(yīng)力帶來的開裂；二來可縮小基片面積，從而避開在基板局部形成不平衡的重力點(diǎn)而導(dǎo)致基板在機(jī)械沖擊中開裂：三來也對變壓器的散熱有益處。(4)通過選用合適的導(dǎo)電膠和環(huán)氧膠，以便對工藝參數(shù)、操作程序和各種膠與粘接元件之間的匹配特性舉行討論和優(yōu)化，也可以達(dá)到高牢靠粘接的目的；例如針對變壓器來說，選用一種合適的粘接膠來粘接變壓器，不僅會有一定的抗拉強(qiáng)度，還具備一定的韌性，其溫度特性與磁罐材料相匹配也能確保磁罐在溫度循環(huán)中不開裂。(5)優(yōu)化焊接和鍵合技術(shù)。應(yīng)對不同型號的焊膏，焊錫絲的組成成分、強(qiáng)度特性和溫度系數(shù)舉行對照和分析，以確定最佳的焊接材料，從