高可靠混合集成DC/DC变换器（5V/3A）的设计
高可靠混合集成dc/dc变换器（5v/3a）的设计
1引言
随着武器系统的发展，电子设备趋向小型化，供电方式由集中供电向分布式供电发展，dc/dc变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性，是当今乃至今后高可靠dc/dc变换器的发展方向。 hb2805s15是输出电压5v电流3a的混合集成dc/dc变换器，采用厚膜工艺、磁隔离方式进行混合集成，封装形式与interpoint公司的mhv系列相同。 2电路方案 2．1主要技术指标 hb2805s15的主要技术指标见表1。 表1主要技术指标 项目 参数指标 单位 输入电压范围 18～36 v 输出电压 5.0 v 输出电流 3 a 输出电压纹波 ≤50 mv 电压调整率 ≤0.15 ％ 负载调整率 ≤0.3 ％ 效率 ≥80 ％ 工作温度范围 －55～＋85 ℃
2．2电路结构方案 dc/dc拓扑类型主要有：降压型(buck)、升压型(boost)、反相型(buck－boost)、反激型(flyback)、正激型(forward)和零电压（zvs）零电流（zcs）型。中小功率的dc/dc电源变换器一般采用单端正激型和双端推挽型的拓扑结构。 单端正激型结构简单，元器件少，双端推挽型是将两个单端正激型合并，变压器工作在第ⅰ象限和第ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了单端正激的不利因素。 反馈隔离方式有光电隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器受温度的影响大，频带窄；脉冲变压器隔离的温度稳定性好，可靠性高，频带宽，是高可靠dc/dc电源变换器优先采用的方式。 本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式，原理图如图1。 图1双端推挽变压器隔离反馈原理图 图2推挽式变换器电路及其相关波形 2．3电路工作原理 双端推挽dc/dc变换器的基本电路结构及其工作波形如图2所示。 开关管q1，q2在pwm控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节q1，q2的导通/截止时间，可改变输出电压。双端推挽dc/dc变换器的输出电压可表示为：vo=dvi(1) 式中：vo——输出电压，v； vi——输入电压，v； d——整流管的占空比； np——变压器初级匝数，匝； ns——变压器次级匝数，匝。 3电路设计 3．1主要元器件 dc/dc变换器的主要元器件是脉宽调制器pwm、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。hb2805s15的pwm选用uc1825a，隔离放大器选用uc1901，变压器和电感选用tdk的pc40材料系列的罐型磁芯。 uc1825a是电压／电流型pwm控制器，输出峰值电流2a，开关频率可达到1mhz，误差放大器的单位增益带宽12mhz，具有逐个脉冲电流限制，软起动和最大占空比可设置，可用于双端推挽dc/dc变换器。 uc1901隔离放大器是一个脉冲幅度调制（am）电路，它包括基准源、误差放大器、振荡器、乘法器，最高振荡频率5mhz。 pc40系列是tdk公司的产品，其导磁率高，高频损耗小。 3．2开关频率定时元件计算 开关频率高，元器件的开关损耗大，影响效率η；开关频率低不利于小型化，经过计算和实验，开关频率定为300khz。uc1825a的定时元件电阻和电容由式（2）和（3）计算确定：rt=(2)ct=(3) 式中：rt——定时电阻，ω； ct——定时电容，f； dmax——最大占空比； f——开关频率，hz。 3．3元器件设计 （1）变压器的设计 变压器是dc/dc变换器的重要元件，主要技术参数是初次级匝数比(n=np／ns)和初次级的电感量（lp，ls）。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得到：np≥(4)ns=(5) 式中：vimax——最大输入电压，v； vimin——最小输入电压，v； bm——饱和磁通密度，t； ae——磁芯截面积，m2； vf——整流管正向压降，v； vo——输出电压，v。 （2）输出部分的设计 输出部分主要是输出电感l和输出电容c构成的lc低通网络，电感量和电容值由下式求得：l≥(6) 式中：δil——电感脉动电流（一般取值δil=(10％ ～25％）iomax），a； dmin——最小占空比。c≥（f）(7) 式中：δvomax——输出最高纹波电压，v。 （3）开关管和整流管 开关管的最大电流ipmax由下式求得：ipmax=(iomax＋)＋im(8) 式中：im——励磁电流，a； iomax——变压器最大输出电流，a； 开关管耐压vb： vb≥2vi(9) 整流管的最大峰值电流ifm：ifm≥iomax＋(10) 整流管的反向截止电压vrr：vrr≥2即：vrr≥2vimax(11) 本电路输出电压低电流大，选用肖特基整流管。 4可靠性设计 主要对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。 4．1功率元器件的降额设计 由3．3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值，按降额等级（ⅰ级）选取元器件。 （1）磁性元件的设计 变压器和滤波电感是dc/dc变换器的主要发热源，承载着很大的功率，本电路选用tdk的pc40材料系列的罐型磁芯。 pc40材料的主要参数： 导磁率μ=2300 居里温度tc≥215℃ 饱和磁通密度bs=5100gas(25℃) bs=3900gas(100℃) 电路设计中变压器磁通密度的实际取值是bs=1600gas，达到ⅰ级降额标准。 （2）整流管 肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件，具有很好的开关特性，它的正向压降（vf）小，且随温度的升高而降低，可降低整流管导通损耗，有利于提高输出电压低时的电路效率。 本电路的输出电压5v，输出电流3a，因此选用肖特基10tq045，它的最大电流（ifrm）10a，反向重复峰值电压（vrrm）45v，符合ⅰ级降额标准。 （3）开关管 功率mosfet具有开关速度快，损耗低，驱动电流小，无二次击穿现象，过载能力强，抗干扰能力强等优点，广泛地用于高频开关电源。 当输入电压为低压18v时，流过开关管的峰值电流取ip=3a；输入为最高电压36v时，源漏电压vds=2×36＋v尖峰（v尖峰是由变压器漏感产生的）。 选用irf630，最大漏极电流id=9a，vds耐压200v，符合ⅰ级降额设计。 4．2版图的热设计 减小热阻，提高效率，电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(mosfet)、变压器、整流管和电感等，设计上从三个方面采取了措施： （1）在版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放； （2）采用新工艺，减小热阻，开关管、整流管采用再流焊工艺，粗铝丝压焊，变压器、电感器和基片采用导热胶粘接； （3）基片材料选用高导热率的基片，增加热传导。 5工艺技术 电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺，焊接区设计为钯银（paag）加厚。采用mq10—10全金属缝焊平行封装，它的气密性好，封装时不产生金属异物，pind通过率高于锡封焊，可靠性高。 版图设计时充分要考虑组装工艺，合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。 变压器和电感器是dc/dc变换器的重要元件，绕制时严格控制匝数和电感量，保证误差在一定的范围，满足电路的要求。 6研制结果 高可靠混合集成hb2805s15dc/dc变换器完成了研制，并进行了批量的生产，通过了质量一致性考核（例试）实验。电路的测试数据见表2，表3列出了电路实际达到的主要技术指标。 图3电路（满载）加电和（满载）断电时的动态响应 (a)加电（vi=0→28vvo=5vio=3a） (b)断电（vi=28v→0v） 图4电路的输出电压纹波噪声 表2hb2805s159911批测试数据 项目 9911－2＃ 9911－41＃ 9911－49＃ 9911－35＃ 效率η（％） 80.07 80.02 80.01 80.00 负载调整率si（％） 0.16 0.15 0.18 0.10 电压调整率sv（％） 0.02 0.00 0.00 0.00 输出纹波vpp(mv) 5 5 7 7
表3电路达到的主要技术指标 项目 设计目标值 实际达到值 效率η（％） ≥80 ≥80 负载调整率si（％） ≤0.3 <0.2 电压调整率sv（％） ≤0.15 <0.03 输出纹波vpp(mv) ≤50 <10
图3是电路（满载）加电和（满载）断电时的响应波形。图4是电路的输出电压纹波噪声。 7结语 通过hb2805s15的研制，掌握了混合集成dc/dc变换器电路设计技术，相继研制开发5w系列、15w系列、30w系列、70w系列约15个品种的高可靠混合集成dc/dc电源变换器。
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插卡取电开关哪个牌子好
高可靠混合集成DC/DC变换器（5V/3A）的设计
广泛的Molex解决方案突显企业致力于 实施Rockwell Automation合作伙伴联盟计划
如何制作一个LED触控台灯？
基于AUTOSAR技术的SOA软件平台实践的简析
探讨另一个问题：为什么要成为数据科学家？
LED灯泡价格微幅上调 大功率LED产品逐渐萎缩
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2．2电路结构方案 dc/dc拓扑类型主要有：降压型(buck)、升压型(boost)、反相型(buck－boost)、反激型(flyback)、正激型(forward)和零电压（zvs）零电流（zcs）型。中小功率的dc/dc电源变换器一般采用单端正激型和双端推挽型的拓扑结构。 单端正激型结构简单，元器件少，双端推挽型是将两个单端正激型合并，变压器工作在第ⅰ象限和第ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了单端正激的不利因素。 反馈隔离方式有光电隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器受温度的影响大，频带窄；脉冲变压器隔离的温度稳定性好，可靠性高，频带宽，是高可靠dc/dc电源变换器优先采用的方式。 本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式，原理图如图1。 图1双端推挽变压器隔离反馈原理图 图2推挽式变换器电路及其相关波形 2．3电路工作原理 双端推挽dc/dc变换器的基本电路结构及其工作波形如图2所示。 开关管q1，q2在pwm控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节q1，q2的导通/截止时间，可改变输出电压。双端推挽dc/dc变换器的输出电压可表示为：vo=dvi(1) 式中：vo——输出电压，v； vi——输入电压，v； d——整流管的占空比； np——变压器初级匝数，匝； ns——变压器次级匝数，匝。 3电路设计 3．1主要元器件 dc/dc变换器的主要元器件是脉宽调制器pwm、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。hb2805s15的pwm选用uc1825a，隔离放大器选用uc1901，变压器和电感选用tdk的pc40材料系列的罐型磁芯。 uc1825a是电压／电流型pwm控制器，输出峰值电流2a，开关频率可达到1mhz，误差放大器的单位增益带宽12mhz，具有逐个脉冲电流限制，软起动和最大占空比可设置，可用于双端推挽dc/dc变换器。 uc1901隔离放大器是一个脉冲幅度调制（am）电路，它包括基准源、误差放大器、振荡器、乘法器，最高振荡频率5mhz。 pc40系列是tdk公司的产品，其导磁率高，高频损耗小。 3．2开关频率定时元件计算 开关频率高，元器件的开关损耗大，影响效率η；开关频率低不利于小型化，经过计算和实验，开关频率定为300khz。uc1825a的定时元件电阻和电容由式（2）和（3）计算确定：rt=(2)ct=(3) 式中：rt——定时电阻，ω； ct——定时电容，f； dmax——最大占空比； f——开关频率，hz。 3．3元器件设计 （1）变压器的设计 变压器是dc/dc变换器的重要元件，主要技术参数是初次级匝数比(n=np／ns)和初次级的电感量（lp，ls）。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得到：np≥(4)ns=(5) 式中：vimax——最大输入电压，v； vimin——最小输入电压，v； bm——饱和磁通密度，t； ae——磁芯截面积，m2； vf——整流管正向压降，v； vo——输出电压，v。 （2）输出部分的设计 输出部分主要是输出电感l和输出电容c构成的lc低通网络，电感量和电容值由下式求得：l≥(6) 式中：δil——电感脉动电流（一般取值δil=(10％ ～25％）iomax），a； dmin——最小占空比。c≥（f）(7) 式中：δvomax——输出最高纹波电压，v。 （3）开关管和整流管 开关管的最大电流ipmax由下式求得：ipmax=(iomax＋)＋im(8) 式中：im——励磁电流，a； iomax——变压器最大输出电流，a； 开关管耐压vb： vb≥2vi(9) 整流管的最大峰值电流ifm：ifm≥iomax＋(10) 整流管的反向截止电压vrr：vrr≥2即：vrr≥2vimax(11) 本电路输出电压低电流大，选用肖特基整流管。 4可靠性设计 主要对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。 4．1功率元器件的降额设计 由3．3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值，按降额等级（ⅰ级）选取元器件。 （1）磁性元件的设计 变压器和滤波电感是dc/dc变换器的主要发热源，承载着很大的功率，本电路选用tdk的pc40材料系列的罐型磁芯。 pc40材料的主要参数： 导磁率μ=2300 居里温度tc≥215℃ 饱和磁通密度bs=5100gas(25℃) bs=3900gas(100℃) 电路设计中变压器磁通密度的实际取值是bs=1600gas，达到ⅰ级降额标准。 （2）整流管 肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件，具有很好的开关特性，它的正向压降（vf）小，且随温度的升高而降低，可降低整流管导通损耗，有利于提高输出电压低时的电路效率。 本电路的输出电压5v，输出电流3a，因此选用肖特基10tq045，它的最大电流（ifrm）10a，反向重复峰值电压（vrrm）45v，符合ⅰ级降额标准。 （3）开关管 功率mosfet具有开关速度快，损耗低，驱动电流小，无二次击穿现象，过载能力强，抗干扰能力强等优点，广泛地用于高频开关电源。 当输入电压为低压18v时，流过开关管的峰值电流取ip=3a；输入为最高电压36v时，源漏电压vds=2×36＋v尖峰（v尖峰是由变压器漏感产生的）。 选用irf630，最大漏极电流id=9a，vds耐压200v，符合ⅰ级降额设计。 4．2版图的热设计 减小热阻，提高效率，电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(mosfet)、变压器、整流管和电感等，设计上从三个方面采取了措施： （1）在版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放； （2）采用新工艺，减小热阻，开关管、整流管采用再流焊工艺，粗铝丝压焊，变压器、电感器和基片采用导热胶粘接； （3）基片材料选用高导热率的基片，增加热传导。 5工艺技术 电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺，焊接区设计为钯银（paag）加厚。采用mq10—10全金属缝焊平行封装，它的气密性好，封装时不产生金属异物，pind通过率高于锡封焊，可靠性高。 版图设计时充分要考虑组装工艺，合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。 变压器和电感器是dc/dc变换器的重要元件，绕制时严格控制匝数和电感量，保证误差在一定的范围，满足电路的要求。 6研制结果 高可靠混合集成hb2805s15dc/dc变换器完成了研制，并进行了批量的生产，通过了质量一致性考核（例试）实验。电路的测试数据见表2，表3列出了电路实际达到的主要技术指标。 图3电路（满载）加电和（满载）断电时的动态响应 (a)加电（vi=0→28vvo=5vio=3a） (b)断电（vi=28v→0v） 图4电路的输出电压纹波噪声 表2hb2805s159911批测试数据 项目 9911－2＃ 9911－41＃ 9911－49＃ 9911－35＃ 效率η（％） 80.07 80.02 80.01 80.00 负载调整率si（％） 0.16 0.15 0.18 0.10 电压调整率sv（％） 0.02 0.00 0.00 0.00 输出纹波vpp(mv) 5 5 7 7
表3电路达到的主要技术指标 项目 设计目标值 实际达到值 效率η（％） ≥80 ≥80 负载调整率si（％） ≤0.3 <0.2 电压调整率sv（％） ≤0.15 <0.03 输出纹波vpp(mv) ≤50 <10
图3是电路（满载）加电和（满载）断电时的响应波形。图4是电路的输出电压纹波噪声。 7结语 通过hb2805s15的研制，掌握了混合集成dc/dc变换器电路设计技术，相继研制开发5w系列、15w系列、30w系列、70w系列约15个品种的高可靠混合集成dc/dc电源变换器。
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