一種星載微波接收機應(yīng)用的全集成厚膜電源設(shè)計①

劉少鵬，邵小亮，羅 聃，朱 海，陽曉彬，汪 蕾

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星功能日新月異，有效載荷數(shù)量增速顯著，為承載更多的載荷，分系統(tǒng)和整機的體積、重量須大幅減小。微波接收機作為需求數(shù)量眾多的整機產(chǎn)品，性能優(yōu)越、功能穩(wěn)定的小型輕量化接收機產(chǎn)品對衛(wèi)星有效載荷的發(fā)展具有重要意義。電源是有源整機中必不可少的模塊，而且往往是最大的模塊，所以為實現(xiàn)整機的小型化，電源模塊的小型化、輕量化尤為關(guān)鍵。一般電源有兩種實現(xiàn)方式，一種是傳統(tǒng)PCB電源，電路中的器件均為分立器件，分立器件占用面積大，不利于小型化設(shè)計，電源的體積和重量較大；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)厚膜電源和厚膜EMI濾波器搭積木方式設(shè)計，雖然單個標(biāo)準(zhǔn)模塊體積和重量很小，但整個電源需要多個標(biāo)準(zhǔn)厚膜模塊，同時還需外圍控制電路和結(jié)構(gòu)殼體，因此體積和重量也很大。要實現(xiàn)微波接收機電源小型化和輕量化目標(biāo)，需采用全集成厚膜集成方式進行設(shè)計，同時在厚膜集成設(shè)計中需采用布線密度高的陶瓷基板以及應(yīng)用輕質(zhì)的金屬材料制作電源盒體。

厚膜集成技術(shù)是集電子材料、多層布線技術(shù)、表面微組裝及平面技術(shù)于一體的微電子技術(shù)。厚膜材料是有機介質(zhì)滲入微細(xì)金屬粉、玻璃粉或陶瓷粉末的混合物，通過絲網(wǎng)漏印工藝，印制到絕緣基板上。基板一般為非導(dǎo)體，大多數(shù)常用基板為各種陶瓷，96 %或99 %的氧化鋁(A12O3)、氧化鈹(BeO)和氮化率(AlN)。在帶式燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在850 ℃～950 ℃之間[1]。此外，在微波電路設(shè)計中，低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)技術(shù)應(yīng)用廣泛，它是集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷制造技術(shù)，具有多層結(jié)構(gòu)特點，可將多個無源元件埋入其中，在層數(shù)很高的三維電路基板上，實現(xiàn)無源和有源的集成。該技術(shù)結(jié)合厚膜工藝，改進了高溫共燒陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics，HTCC)工藝，降低其燒結(jié)溫度，陶瓷和高電導(dǎo)的金屬可以在約900 ℃左右的溫度下共燒[2-4]，高電導(dǎo)金屬的應(yīng)用使得LTCC技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。

1 方案設(shè)計

1.1 厚膜電源功能模塊

本產(chǎn)品是全集成厚膜電源，除了實現(xiàn)將衛(wèi)星平臺母線電壓轉(zhuǎn)換成后級負(fù)載所需要的三路電壓這一基本DC-DC功能外，還集成了EMI濾波器，以達到良好的電磁兼容特性。同時根據(jù)衛(wèi)星平臺的接口要求，集成了開、關(guān)機電路，遙測電路，過流保護電路，欠壓保護電路和保險絲電路，集成度高，使得整個電源能實現(xiàn)最小化設(shè)計。各電路功能模塊如圖1所示：

圖1 電源模塊功能框圖

1.2 輕質(zhì)化硅鋁材料和LTCC厚膜集成技術(shù)的應(yīng)用

厚膜電源常用的殼體材料為可伐(密度8.2 g/cm3)或10#鋼(密度7.8 g/cm3)，2者密度都很大，為減小電源殼體重量，需采用低密度且與陶瓷基板匹配性好的金屬材料。微波模塊中常用的硅鋁合金(密度2.5 g/cm3)，具有密度低、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、機加性能良好等諸多優(yōu)點，在航空、航天方面是非常有應(yīng)用前景的電子封裝材料[5]。值得注意的是硅鋁盒體密封需激光封焊，硅鋁合金由于存在脆性硅顆粒，在封焊過程中高溫度梯度作用下容易產(chǎn)品裂紋[6]，封焊良率較平行縫焊低。為最大限度的實現(xiàn)小型化和輕量化，提高配套微波接收機的競爭力，綜合考慮最終選擇了硅鋁材料制作電源殼體。

厚膜電源常采用96 %氧化鋁陶瓷作為電路基板，在業(yè)界應(yīng)用成熟，具有成本低，綜合技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異的特點。國外引進件采用的也是傳統(tǒng)氧化鋁的厚膜集成方案。但氧化鋁布線只有2～3層，層間過孔不能設(shè)置在焊盤底下，層間不能集成無源器件。相比LTCC基板具有多層布線的優(yōu)勢[3]，層間過孔為實心孔，可設(shè)置在器件焊盤底下，同時中間層可以集成厚膜電阻。鑒于LTCC基板集成度更高，更能最大限度的實現(xiàn)小型化，電路基板最終選擇了LTCC基板。

1.3 厚膜電源工藝流程

根據(jù)厚膜電源的產(chǎn)品特點，綜合考慮電源的結(jié)構(gòu)、版圖以及工藝材料，設(shè)計了如圖2的厚膜電源工藝流程。包括基板的制備，基板與管殼的組裝，元器件的組裝和模塊測試流程。

圖2 厚膜電源工藝流程圖

2 電路設(shè)計

2.1 功率電路設(shè)計

為實現(xiàn)電源的小型化和輕量化，從拓?fù)溥x擇上盡量選擇適合小型化的電路拓?fù)洌捎诖判栽骷陔娫茨K中所占的體積較大，因此盡可能選擇磁性元器件使用數(shù)量少的拓?fù)洹１驹O(shè)計最終采用了反激電流饋電推挽拓?fù)?，磁性元器件少，適合集成設(shè)計，且開關(guān)管驅(qū)動為直接驅(qū)動而非懸浮驅(qū)動，驅(qū)動電路簡單，可靠性高[7，8]，同時此拓?fù)漭敵稣鞑恍枰獌δ茈姼?，因此從?qū)動和整流濾波上減少了磁性元器件的使用數(shù)量。電源拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 電源拓?fù)鋱D

2.2 開關(guān)頻率設(shè)計

開關(guān)電源中磁性元器件和濾波電容通常是電源模塊中體積最大的，在給定功率容量下，若要減小磁性元器件和濾波電容的體積，就要提高電路的工作頻率，但工作頻率的提升會增加電源開關(guān)管的開關(guān)損耗和整流二極管反向恢復(fù)損耗，開關(guān)頻率的設(shè)定是個折中的過程[9，10]。本次電源模塊的主要目標(biāo)是小型化，在效率允許的前提下，盡可能提高電路工作頻率，最終電源模塊的開關(guān)頻率定在了400 K。

2.3 EMI濾波器設(shè)計

功率變換器開關(guān)管在開通和關(guān)斷過程中會產(chǎn)生電磁干擾，開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲干擾會通過傳導(dǎo)和輻射的方式影響周圍的電磁環(huán)境，從而影響周圍設(shè)備的正常工作。同時電源工作中也要抑制外來的電磁干擾，防止其對后級設(shè)備產(chǎn)生影響[11]。

為了實現(xiàn)小型化目標(biāo)，在滿足應(yīng)用的前提下，EMI濾波器采用了最簡單的電路形式，由一級共模濾波電路和一級差模濾波電路組成，以實現(xiàn)良好的雙向濾除交流信號的能力。其中共模濾波電路由共模電感L1和共模濾波電容C1～C4組成，差模濾波電路由差模電感L2、差模電容C5和阻尼電阻R1組成。

圖4 輸入EMI濾波電路

3 厚膜電路集成設(shè)計

3.1 厚膜電阻設(shè)計

厚膜電阻在陶瓷基板上是通過絲網(wǎng)印刷制備的，厚膜電阻采用方阻設(shè)計，不同的電阻漿料其方阻不同[12]。常用的電阻漿料方阻R□有10 Ω/□，100 Ω/□，1 KΩ/□，10 K/□，100 KΩ/□等。為了便于制造加工，同一塊基板上盡量減少漿料的種類，設(shè)計中建議不超過5種漿料。圖5是厚膜電阻的示意圖。

圖5 厚膜電阻設(shè)計

3.2 芯片裝配設(shè)計

電源模塊中應(yīng)用了多種芯片，包括脈寬調(diào)制器，運算放大器，二極管，三極管，功率MOS管。在厚膜電路中，這些芯片的呈現(xiàn)形式是裸芯片。裸芯片的組裝有兩種方式，采用導(dǎo)電膠粘接或者回流焊接。對于小功率芯片，采用導(dǎo)電膠進行粘接；對于大功率器件，一般采用回流焊接工藝[13]。

芯片本體組裝之后，對于小電流的芯片采用金絲進行鍵合。功率芯片，比如功率MOS管和功率二極管，采用粗硅鋁絲進行鍵合，實際設(shè)計中根據(jù)電路中芯片過電流的大小鍵合多根硅鋁絲進行分流。同時粗鋁絲不能直接鍵合在基板膜層上，鍵合時需要銅鋁過渡塊進行轉(zhuǎn)接。圖6和圖7分別為小功率芯片和大功率芯片裝配圖。

圖6 小功率芯片裝配圖 圖7 大功率芯片裝配圖

3.3 磁性元器件裝配設(shè)計

通過提高開關(guān)頻率，減小了磁性元器件的體積，同時在裝配方式上，也盡可能利用殼體的高度空間，減小安裝面積。對于環(huán)形電感可采用立式安裝的方式，減小安裝底面積；對于變壓器選擇占底面積較小的RM型或者罐形磁芯。本產(chǎn)品電感采用了環(huán)形磁芯，為立式安裝方式，變壓器采用了RM型磁芯。

4 產(chǎn)品圖片及試驗結(jié)果

4.1 產(chǎn)品的體積和重量

如圖8-圖11所示，整個電源模塊的體積為77 mm*57 mm*15 mm，重量為105 g，沖氮氣密封。

圖8 模塊長度 圖9 模塊寬度

圖10 模塊高度 圖11 模塊重量

4.2 厚膜集成組裝圖

如下圖12-圖15所示，圖12為厚膜電阻，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上形成電阻膜層，電阻中間的劃痕為激光調(diào)阻，基板制作時大約設(shè)計阻值為目標(biāo)值的70%，基板成型后通過激光調(diào)阻，使其達到目標(biāo)值[14]。圖13為小功率芯片的裝配圖，采用金絲鍵合；圖14為功率MOS的裝配圖，采用硅鋁絲進行鍵合；圖15為變壓器的裝配圖；

圖12 厚膜電阻 圖13 小功率芯片的裝配

圖14 功率MOS管的裝配 圖15 變壓器的裝配

4.3 主要波形測試

為了減小產(chǎn)品體積，本設(shè)計將開關(guān)頻率提高到了400 K，圖16為實測三角波頻率393 K，圖17為2個推挽開關(guān)管的驅(qū)動波形，單個驅(qū)動頻率為197 K，為三角波頻率的一半。

圖16 三角波測試 圖17 推挽開關(guān)管驅(qū)動測試

4.4 微波接收機EMC性能測試

電源模塊隨微波接收機，依據(jù)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》進行EMC鑒定試驗，試驗項目有CS101，CE102，RE102，CS114，CS115，CS116，RS103，CE106，CE107，ESD。除了CE102在開關(guān)頻率及倍頻處有超差外，其余項目隨整機均通過了鑒定級試驗。

圖18為CE102測試結(jié)果，主頻率為392 K，此為電源的開關(guān)頻率。CE102在開關(guān)頻率及倍頻處超標(biāo)，是因為設(shè)計EMI濾波電路時，主要考慮了小型化的需求，差模濾波電路采用了一級，同時濾波電容、濾波電感取值較小，濾波能力偏弱。但電源開關(guān)頻率主頻和諧波分量超差小于4 db，滿足應(yīng)用要求。

圖18 CE102測試曲線

5 產(chǎn)品性能對比

引進的全集成厚膜電源，其產(chǎn)品形態(tài)及技術(shù)指標(biāo)[15]，如圖19、圖20所示。表1為本產(chǎn)品與引進件以及傳統(tǒng)電源對比。

圖19 引進件厚膜電源 圖20 引進件厚膜電源技術(shù)指標(biāo)

表1 產(chǎn)品技術(shù)對比

大部分微波接收機的功耗在15 W以內(nèi)，目前開發(fā)的全集成厚膜電源可以覆蓋星載微波接收機應(yīng)用。由表1可以看出，與上一代微波接收機PCB電源相比，在功率容量和效率相當(dāng)?shù)那闆r下，體積和重量大幅度減小，實現(xiàn)了開發(fā)之初的目標(biāo)。同時與國外引進件相比，效率低于引進件，但體積和重量優(yōu)勢明顯。引進件電源采用的是傳統(tǒng)氧化鋁厚膜工藝，其導(dǎo)電帶厚，線路損耗?。淮送庖M件開關(guān)頻率低，較低的開關(guān)頻率使得開關(guān)損耗小，效率高，但較低的開關(guān)頻率使得磁性元器件和電容尺寸變大，電源體積變大。一般情況下，接收機電源為小功率應(yīng)用，對效率要求較低，對體積和重量要求較高。

產(chǎn)品可靠性方面，電源模塊參照GJB2438A—2002《混合集成電路通用規(guī)范》和GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》的試驗流程和方法，開展篩選和考核試驗；同時作為具有開關(guān)機功能的全集成厚膜電源模塊，采用程控方式開展了萬次開關(guān)機試驗，試驗通過。

6 結(jié)論

本產(chǎn)品是上一代微波接收機PCB電源的升級換代，電路上采用了適合厚膜集成的小型化電路拓?fù)?，電路形式簡單且磁性元器件?shù)量少。通過提高開關(guān)頻率，減小了磁性元器件和電容的尺寸。生產(chǎn)制造上，采用厚膜混合集成裝配工藝，使得裝配后的電路體積更小。

采用了全集成設(shè)計方案，與標(biāo)準(zhǔn)DC-DC厚膜電源相比，集成了EMI濾波器以及多個功能電路單元，無需在DC-DC模塊以外配置EMI濾波器和控制電路模塊，可直接與衛(wèi)星平臺配電系統(tǒng)對接，集成度更高，體積更小。

LTCC厚膜集成技術(shù)的應(yīng)用使得基板尺寸和殼體尺寸更小，同時輕質(zhì)化硅鋁材料的應(yīng)用，使得電源殼體的重量顯著下降，最終本產(chǎn)品的體積和重量明顯小于采用傳統(tǒng)厚膜集成方案的國外引進件。目前多臺產(chǎn)品在軌飛行，狀態(tài)良好，新方案得到了在軌驗證。