一種星用SIP 角編碼電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘美珍，余桂周，高群

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43 研究所，安徽合肥 230022）

星用角編碼電路的功能是解算可移動(dòng)天線兩個(gè)軸向上的角度位置，并將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)字信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線實(shí)際角度的高速、實(shí)時(shí)采集，從而完成天線對(duì)目標(biāo)的定位、捕獲及精確跟蹤。因此，角編碼電路是衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)的核心部件[1-2]。

從當(dāng)前衛(wèi)星（航天器）的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其對(duì)天線的要求朝著高頻段、多樣化、高性能、可移動(dòng)（可跟蹤）等方向發(fā)展，因此對(duì)天線控制器也提出了許多新的需求，其中對(duì)產(chǎn)品的集成度、輕型化要求越來(lái)越高。文中采用一種一體化封裝的角編碼電路SIP（System-In-Package，系統(tǒng)級(jí)封裝）實(shí)現(xiàn)方案，高度集成了角編碼電路，這必然會(huì)推動(dòng)天線控制器的高集成度發(fā)展，縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距[3]。

1 角編碼電路構(gòu)成與基本原理

衛(wèi)星天線控制系統(tǒng)中的角編碼電路由一路激磁源電路和雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路組成。為提高集成度和通用性，設(shè)計(jì)的這種一體化封裝的SIP 角編碼電路[4-7]系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示，該電路包括雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路及激磁電源電路，激磁電源電路為雙速軸角轉(zhuǎn)換器以及角度傳感器多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器提供精確的正弦參考信號(hào)[8-10]，雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙路雙速旋轉(zhuǎn)變壓器角位置模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)控制信號(hào)分時(shí)輸出各路角度編碼，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換[11-12]。其基本原理為：激磁電源電路為該角編碼電路和多極旋轉(zhuǎn)變壓器提供幅值和頻率可調(diào)的激磁電壓。外部?jī)陕范鄻O旋轉(zhuǎn)變壓器分別產(chǎn)生的粗、精機(jī)角位置信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后輸入雙速軸角轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過(guò)雙速軸角轉(zhuǎn)換電路，采用糾錯(cuò)原理組合實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的模擬到數(shù)字的角位置轉(zhuǎn)換，進(jìn)入下一級(jí)電平轉(zhuǎn)換電路。雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換電路單獨(dú)工作，輸出數(shù)字信號(hào)并行接入電平轉(zhuǎn)換電路，且兩路復(fù)用，通過(guò)外部使能和禁止功能控制單通道數(shù)字輸出。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè) 計(jì)

1）激磁電源電路設(shè)計(jì)

激磁電源電路拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 激磁電源電路拓?fù)?/p>

正弦波產(chǎn)生電路通過(guò)二階有源濾波得到基波一次正弦波。為了穩(wěn)定輸出幅值、頻率，采用移相電路對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行反饋并閉環(huán)。正弦波產(chǎn)生電路的頻率由移相部分的截止頻率確定，其幅值由運(yùn)放的輸入電阻和反饋電阻共同確定，功率放大電路采用典型推挽電路。

由電路穩(wěn)幅條件可知：

其中，R1=R2、C1=C2為移相90°電路和二階有源濾波的參數(shù)值。

壓擺率為：

設(shè)計(jì)中為了考慮通用性，頻率設(shè)計(jì)為最大10 kHz，應(yīng)有運(yùn)放壓擺率SR≥2·2π·10k·14 ≈1.75 V/μs，增益帶寬積GBW≥1 MHz，增益帶寬積選用芯片壓擺率如表1 所示。

表1 運(yùn)放參數(shù)

2）雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是由雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器組成的，其中兩套單速軸角轉(zhuǎn)換器、同步糾錯(cuò)邏輯電路組成一個(gè)完整的雙速軸角轉(zhuǎn)換器。

該雙速軸角轉(zhuǎn)換器以—種高可靠、通用型的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路芯片作為核心，具有分辨率高、速度電壓可編程、雙重帶寬、精度高、功耗低及體積小等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，同時(shí)采用簡(jiǎn)單的邏輯元件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組合與數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能。將精通道高2位和粗通道高5 位分別送到同步糾錯(cuò)邏輯電路，完成模糊誤差的判斷與糾錯(cuò)。同步糾錯(cuò)邏輯電路的3位輸出與精通道的13 位輸出組合即完成了16 位雙速模擬-數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)三態(tài)鎖存器緩沖輸出數(shù)字角。

從圖3 可以看出，粗、精通道轉(zhuǎn)換器的工作原理是相同的，根據(jù)粗、精通道數(shù)據(jù)組合糾錯(cuò)原理[15-16]和實(shí)際產(chǎn)品指標(biāo)要求，需要對(duì)粗、精通道轉(zhuǎn)換器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要差別在于：1）分辨率；2）閉環(huán)參數(shù)（如跟蹤速率、帶寬等）。

圖3 基于核心芯片的粗、精通道轉(zhuǎn)換器原理圖

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體架構(gòu)為雙面三腔體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，殼體采用ALN 陶瓷金屬一體化雙腔體封裝管殼。ALN 陶瓷金屬一體化雙腔體封裝管殼底座正反兩面布線組裝，密封在獨(dú)立腔體內(nèi)，正反面通過(guò)通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連。底座正反表面需組裝約110 個(gè)元器件，組裝工藝包含焊接工藝、粘接工藝、鍵合工藝等。具體結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

1）雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路及激磁電源電路系統(tǒng)高可靠集成實(shí)現(xiàn)方法

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化，內(nèi)部包含雙路軸角雙速轉(zhuǎn)換器和一路功率輸出的激磁電源，且包含內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換、電壓轉(zhuǎn)換、輸入輸出接口控制等功能，產(chǎn)品尺寸要求小于45 mm×37 mm×10 mm，內(nèi)部電路功能復(fù)雜，集成度高，所以設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮器件的集成型選擇、抗干擾設(shè)計(jì)、邏輯時(shí)序匹配設(shè)計(jì)等，完成小體積、多功能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

①為了在規(guī)定封裝尺寸內(nèi)完成整個(gè)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在器件選用和設(shè)計(jì)上，首先將旋變解碼電路和激磁電源部分的外圍電阻全部設(shè)計(jì)成集成度高、精度高的薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)最高集成10個(gè)阻值電阻；再將雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換器硬件糾錯(cuò)電路部分功能電路進(jìn)行復(fù)用設(shè)計(jì)，減少內(nèi)部元器件數(shù)量。

②由于電路有兩個(gè)通道雙速軸角轉(zhuǎn)換器，且單通道雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路內(nèi)部是兩路單速軸角轉(zhuǎn)換器電路，為了減少輸出引腳數(shù)量，設(shè)計(jì)雙路雙速軸角轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出引腳復(fù)用，設(shè)計(jì)外部使能和禁止控制端來(lái)控制內(nèi)部各解算電路正常工作及實(shí)現(xiàn)分時(shí)數(shù)字輸出功能。根據(jù)雙速解碼電路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了整個(gè)產(chǎn)品的邏輯時(shí)序，如圖5 所示。

圖5 控制邏輯時(shí)序圖

2）AlN 陶瓷金屬一體化封裝高可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)方法

SIP 角編碼電路依托多層AlN 陶瓷一體化外殼設(shè)計(jì)，以AlN 陶瓷作為基體[17]，雙面三腔，雙腔一面采用金錫焊封蓋，并作為安裝和散熱基面，單腔一側(cè)采用金屬環(huán)框與陶瓷焊接形成封裝腔體，為內(nèi)部電路提供保護(hù)和支撐，金屬底板和環(huán)框與陶瓷采用AgCu共晶高溫釬焊，為后續(xù)組裝提供了較大的溫度階梯空間，但是AlN 陶瓷與金屬膨脹系數(shù)差異大，焊接空間小，引線密度高，焊接溫度高，要形成可靠密封的AlN 陶瓷金屬一體化外殼，對(duì)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提出了較高的要求。

為使產(chǎn)品滿足宇航Y(jié)B 級(jí)或H 級(jí)的質(zhì)量要求，在陶瓷一體化封裝體設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮材料選型、外殼結(jié)構(gòu)、外殼散熱、外殼密封、引線焊接等問(wèn)題。

3）空間一體化產(chǎn)品環(huán)境熱設(shè)計(jì)與熱管理實(shí)現(xiàn)方法

SIP 角編碼電路由于體積小、集成度高，且內(nèi)部含部分功率電路，不合理的熱設(shè)計(jì)將會(huì)誘發(fā)一系列的問(wèn)題：①出現(xiàn)局部過(guò)熱，引起晶片結(jié)區(qū)的燒毀；②溫度分布不均，差異過(guò)大，影響信號(hào)的傳輸特性；③材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起熱應(yīng)力，產(chǎn)生翹曲、裂紋，甚至導(dǎo)致失效和破壞等。

在空間應(yīng)用環(huán)境中，散熱路徑主要是熱傳導(dǎo)。為避免溫度分布不均產(chǎn)生局部過(guò)熱，引起熱失效，采取以下措施：

①在芯片布局時(shí)，對(duì)于功率管等功率密度較高的功率耗散器件，在版圖布局中將激磁電源的推挽電路中的驅(qū)動(dòng)三極管擺放在基板的對(duì)角位置，減少熱積累；

②在外殼設(shè)計(jì)中，AlN 基板底板焊接環(huán)框，環(huán)框在安裝過(guò)程中直接緊貼用戶的散熱面，使基板產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)至外部熱沉。

首先以激磁電源電路中的驅(qū)動(dòng)三極管芯片為例計(jì)算其散熱路徑的合理性，進(jìn)行了器件的熱阻計(jì)算分析：

邊界條件：①結(jié)溫：TJC=85 ℃（150 ℃-65 ℃）（I 級(jí)降額）；②功率I 級(jí)降額；③熱沉基準(zhǔn)溫度為45 ℃。此時(shí)，熱源界面至熱沉間熱阻計(jì)算如表2 所示。

表2 驅(qū)動(dòng)功率管芯片熱阻計(jì)算

分析表明，當(dāng)45 ℃+P×2.55 ℃/W≤85 ℃，即P＜15 W 時(shí)，器件結(jié)溫、功率均滿足I 級(jí)降額要求，可以正常工作。

再對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行熱仿真具體分析如下：

建立熱仿真模型，其中散熱器大小為45 mm×37 mm×0.5 mm，材質(zhì)銅，芯片建模依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)建模。仿真條件：根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在自然環(huán)境下長(zhǎng)期工作，具體工況分別在TA=25 ℃、TB=60 ℃和TC=125 ℃3種情況下進(jìn)行熱仿真分析，具體結(jié)果如圖6 所示。

圖6 3種情況下的熱仿真結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可知，產(chǎn)品在使用過(guò)程中，在殼溫恒溫125 ℃時(shí)，最大溫升約為9 ℃，內(nèi)部最高溫度為128 ℃。芯片內(nèi)部安全使用的結(jié)溫為150 ℃，因此在3種情況下，芯片可安全工作。

3 主要性能指標(biāo)及先進(jìn)性

采用此方案研制的SIP 角編碼電路，將給航天角度位置檢測(cè)系統(tǒng)用戶提供更加先進(jìn)可靠、小型化、系列化的解決方案。SIP 角編碼電路可實(shí)現(xiàn)雙面混合集成電路設(shè)計(jì)，實(shí)際效果如圖7 所示。

圖7 SIP角編碼電路產(chǎn)品

1）具有高集成度：將原先混合集成小型化產(chǎn)品方案，改成SIP 方案，體積和重量相當(dāng)于原先的1/3。

2）通用性：將天線控制模塊按照功能分割，整個(gè)角編碼電路集成在一體化封裝內(nèi)，可在其他衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)通用化替代使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

按照空間應(yīng)用電子元器件技術(shù)質(zhì)量要求，項(xiàng)目組充分發(fā)揮中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43 研究所在電路集成設(shè)計(jì)、一體化結(jié)構(gòu)工藝和封裝的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制出該型號(hào)SIP 角編碼電路，為滿足未來(lái)空間應(yīng)用要求提供了新一代的軸角測(cè)控平臺(tái)產(chǎn)品，可以大幅度減小角編碼電路體積和重量。