劉林 丁瀚
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088)
目前我們國(guó)家正在進(jìn)行探月二期、探月三期工程的實(shí)施,未來(lái)還要建立月球基地,實(shí)現(xiàn)載人登月,對(duì)月球進(jìn)行更深入的開(kāi)發(fā)。白天月表高溫可達(dá)127℃以上,常規(guī)的高可靠混合集成DC/DC 電源的工作溫度范圍只有-55~125℃,無(wú)法滿足探月工程未來(lái)的需求,考慮到溫度降額,因此需要針對(duì)最高工作溫度175℃以上的高可靠DC/DC 電源開(kāi)展研究,為后續(xù)包括探月在內(nèi)的深空探測(cè)工程提供保障。本文中介紹了一種基于SOI 工藝的高溫DC/DC 電源的設(shè)計(jì),最高工作溫度可以達(dá)到185℃以上。該種電源還可以應(yīng)用到深井勘探、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)等系統(tǒng)中。
本文所要完成的電路基本要求是:
(1)輸入電壓:28V±3V;
(2)輸出直流電壓:±12V;
(3)輸出功率:12W;
(4)輸出紋波電壓:≤600mV;
(5)效率:≥70%;
(6)工作溫度范圍:-55~185℃。
電路選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單,所需的元器件較少,主要適用于中小功率電源電路。且反激電路作為成熟技術(shù),可以有效地保證電路的可靠性。
電路原理框圖如圖1所示:采用單端反激式結(jié)構(gòu),由輔助電源、高頻反激變壓器、功率開(kāi)關(guān)管、脈寬調(diào)制器(PWM)、整流濾波電路、取樣比較磁隔離反饋電路、電流取樣電路等電路組成。
限制半導(dǎo)體元器件最高工作溫度的主要因素是高溫泄漏電流。必須優(yōu)選高溫泄漏電流較小的半導(dǎo)體元器件開(kāi)展高溫DC/DC 電源的研制工作。
SOI(Silicon on insulator)技術(shù)是在頂層硅與襯底硅之間引入了一層埋氧化層,與常規(guī)硅基芯片技術(shù)相比不存在大面積的阱-襯底pn 結(jié),使泄漏電流顯著減?。挥捎谙藀npn 可控硅結(jié)構(gòu),從而杜絕了熱激發(fā)閂鎖效應(yīng)。采用SOI 材料制作的半導(dǎo)體器件的最高工作溫度可以超過(guò)300℃。
本電路中選擇了基于SOI 工藝生產(chǎn)的脈寬調(diào)制器CHTMAGAMA、功率MOS 管CHT-NMOS8005 和CHT-SNMOS80 等器件進(jìn)行了研究工作,最高工作溫度達(dá)到了185℃以上。
表1:主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果
圖1:電路工作原理框圖
圖2:磁隔離反饋電路
反饋技術(shù)的設(shè)計(jì)方案主要有光電隔離反饋及磁隔離反饋,由于采用光電反饋所能選到的光電器件無(wú)法耐高溫,在本項(xiàng)目中選擇磁隔離反饋的方案設(shè)計(jì)。
圖3:組裝封裝工藝流程
反饋電路仍然采用和主控制器一樣的CHT-MAGMA 型脈寬調(diào)制器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),電路圖如圖2所示,基本構(gòu)造仍是一個(gè)反激拓?fù)洹?/p>
工作原理如下:
當(dāng)Q1 導(dǎo)通時(shí),反饋?zhàn)儔浩鱐2 的原邊A 繞組導(dǎo)通,B 繞組開(kāi)始儲(chǔ)存能量;當(dāng)Q1 關(guān)斷時(shí),繞組中儲(chǔ)存的能量由Q2 釋放。B 繞組用來(lái)重置變壓器的磁通,將能量傳回供電。因此,該電路直流損耗非常小。次級(jí)繞組將輸出電壓進(jìn)行電壓變換后傳輸回原邊,再經(jīng)整流分壓,作為反饋電壓控制脈寬調(diào)制器的占空比,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
電路的結(jié)構(gòu)方案,采用全密封金屬封裝結(jié)構(gòu),電路的載體選用AL2O3,殼體材料為冷軋鋼,外引線采用銅芯復(fù)合材料。
冷軋鋼導(dǎo)熱性能良好,與陶瓷基板有優(yōu)良的熱匹配性,可避免溫度循環(huán)以及長(zhǎng)期老化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的沖擊。封口使用平行縫焊技術(shù)在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行封裝,以保證氣密性。引出腳為扁平引線形式,散熱面在外殼底部,功能引腳由側(cè)面引出,有利于電路散熱和電氣連接。
高溫DC/DC 電源采用厚膜混合集成工藝制作。陶瓷成膜基片采用絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等厚膜工藝制作;成膜基片采用再流焊接工藝與金屬管殼形成焊接;再將電容、裸芯片、變壓器、電感器等元器件采用焊接和粘接等工藝裝配到基片上及外殼中;最后進(jìn)行氣密封裝。組裝工藝可承受-65℃~185℃的環(huán)境試驗(yàn)考核。
組裝工藝流程圖如圖3所示。
采用高溫厚膜混合集成工藝和金屬氣密封裝技術(shù)研制的高溫DC/DC 電源樣品實(shí)測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示??梢钥闯?,該電源突破了常規(guī)硅器件最高結(jié)溫175℃的限制,具有輸出電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。
本文介紹了一種高溫DC/DC 電源的設(shè)計(jì),詳述了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高溫元器件研究、電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高溫工藝設(shè)計(jì)等,該電路具有最高工作溫度高達(dá)185℃的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于各種對(duì)工作溫度要求高的場(chǎng)合。