一種系統(tǒng)級(jí)可重構(gòu)厚膜混合集成電源模塊設(shè)計(jì)

黃 煉，朱永亮，蔣 華，花 韜

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039)

在航天領(lǐng)域中，星載雷達(dá)系統(tǒng)是衛(wèi)星重要載荷，其天線陣面供配電系統(tǒng)主要特點(diǎn)為：脈沖功率工作；峰值功率大；平均功率大；工作模式復(fù)雜[1-2]。天線陣面供配電分系統(tǒng)為各用電設(shè)備提供所需的電能，其質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能，乃至任務(wù)的成敗。同時(shí)，高空間分辨率的星載雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)意味著整星供電功率需求持續(xù)提升，但是由于發(fā)射平臺(tái)推力受限，對(duì)載荷設(shè)備單位面積質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)苛，高集成度、高效率和輕量化的供配電系統(tǒng)的需求已經(jīng)迫在眉睫[3-7]。

星載雷達(dá)系統(tǒng)中，大多采用DC/DC 模塊將一次電源轉(zhuǎn)換為所需的二次電源，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的一次地和二次地之間隔離和電壓變換[8]。常見(jiàn)的電源電路一般由保險(xiǎn)絲、電磁干擾(EMI)電路、功率變換電路、使能控制電路組成。其中保險(xiǎn)絲用于故障隔離，功率變換電路和EMI 電路一般選取DC/DC變換器和與之配套的濾波器，控制電路用于控制DC/DC 變換器的開(kāi)關(guān)使能。DC/DC 變換器根據(jù)降額設(shè)計(jì)原則和可靠性設(shè)計(jì)原則，模塊內(nèi)部元器件的選用需要滿足國(guó)軍標(biāo)要求的I級(jí)降額。同時(shí)在系統(tǒng)應(yīng)用上，DC/DC 模塊的使用需要再次滿足國(guó)軍標(biāo)要求的I 級(jí)降額，使得DC/DC 模塊長(zhǎng)期處于半載或者輕載工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率低，存在一定的資源浪費(fèi)，不能滿足系統(tǒng)高集成度、高效率和輕量化的應(yīng)用需求。

本文以某星載雷達(dá)天線陣面供配電系統(tǒng)的陣面二次電源為研究對(duì)象，提出一種系統(tǒng)級(jí)可重構(gòu)厚膜混合集成電源模塊設(shè)計(jì)方法，利用厚膜混合集成工藝，靈活地將多個(gè)功能單元集成到一個(gè)微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高的可重構(gòu)分布式供電模塊，滿足天線陣面供配電系統(tǒng)的高集成度、高效率和輕量化的應(yīng)用需求。

1 原理和設(shè)計(jì)

1.1 星載雷達(dá)供配電系統(tǒng)

某星載雷達(dá)系統(tǒng)的天線陣面供配電系統(tǒng)包括：電池，配電器，陣面二次電源。其中電池是雷達(dá)發(fā)射功率的能量來(lái)源，提供一條不調(diào)節(jié)母線；配電器主要完成衛(wèi)星對(duì)載荷母線電源的分配與控制，根據(jù)控制指令為陣面二次電源提供電源開(kāi)關(guān)機(jī)使能信號(hào)；陣面二次電源的主要功能是將不調(diào)節(jié)母線所配直流電變換為收發(fā)(T/R)組件所需的低壓直流電，接收開(kāi)關(guān)機(jī)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)功能。T/R 組件是主要用電單機(jī)，在發(fā)射期間完成發(fā)射信號(hào)的高功率放大，接收期間完成接收信號(hào)的低噪聲放大[9]。某星載雷達(dá)系統(tǒng)天線陣面供配電鏈路如圖1 所示。

圖1 某星載雷達(dá)系統(tǒng)的供配電鏈路

1.1.1 基于傳統(tǒng)PCB 工藝的陣面二次電源

基于傳統(tǒng)印制板電路板(PCB)工藝的陣面二次電源整體電路設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。功率變換電路和EMI 電路選取某公司的AFL50XXSXRH 系列DC/DC 變換器和與之配套的AME50461W 濾波器。根據(jù)元器件降額要求和系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求，共需要AFL5028SXRH 系列DC/DC 變換器4 個(gè)、AFL5005SXRH 系列DC/DC 變換器4 個(gè)和與之配套的AME50461W 濾波器2 個(gè)。

圖2 二次電源整體電路設(shè)計(jì)框圖

基于傳統(tǒng)PCB 工藝的陣面二次電源在結(jié)構(gòu)上需要充分考慮安裝、固定、散熱和絕緣問(wèn)題，采用圖3 自上而下的安裝方式，依次為印制板、DC/DC 變換器、導(dǎo)熱襯墊和機(jī)殼；DC/DC 變換器通過(guò)緊固件固定在機(jī)殼上，模塊與機(jī)殼之間加入導(dǎo)熱襯墊；濾波器兩側(cè)引腳彎曲朝上，與上方印制板直接焊接。設(shè)計(jì)完成的單機(jī)本體尺寸450 mm×100 mm×24 mm，單機(jī)滿載效率≥75%，單機(jī)質(zhì)量1.8 kg，在高度、質(zhì)量和集成度方面不能適應(yīng)未來(lái)系統(tǒng)應(yīng)用需求。

圖3 DC/DC 變換器結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)示意圖

1.1.2 基于厚膜混合集成工藝的電源模塊

高集成度、高效率和輕量化的電源模塊是滿足系統(tǒng)高效率、輕量化的有效實(shí)現(xiàn)方式[10-11]。在傳統(tǒng)陣面二次電源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用厚膜混合集成工藝進(jìn)行系統(tǒng)集成，將多個(gè)功能單元集成到一個(gè)微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、高可靠性的系統(tǒng)級(jí)分布式供電模塊，能夠滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

厚膜混合集成工藝基于多層氧化鋁陶瓷基板和局部雙層的氧化鋁AL2O3基板實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。電路進(jìn)行分片設(shè)計(jì)，控制部分采用多層布線以提高組裝密度，功率部分采用高導(dǎo)熱基板以適應(yīng)大功率器件的散熱需求，兼具高密度和大功率的特征，同時(shí)分片提高了電路抗機(jī)械應(yīng)力的能力，以保證電路滿足可靠性試驗(yàn)的要求?；迳峡刂撇糠种饕捎媒饘?dǎo)帶布線；表貼元件采用粘接、燒焊工藝安裝在基板上，控制芯片以金絲和金帶鍵合工藝，功率芯片以鋁絲鍵合和燒焊工藝實(shí)現(xiàn)與基板的電氣連接。功率變壓器、功率電感銅帶手工焊接至特制的過(guò)渡片上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并采用高導(dǎo)熱材料進(jìn)行非導(dǎo)電粘接到殼體上，以降低熱阻并保證良好的機(jī)械性能。大電流磁性器件采用耐高溫漆包銅帶繞制，提高繞組過(guò)流能力。

圖4 厚膜混合集成工藝

1.2 系統(tǒng)級(jí)可重構(gòu)電源模塊設(shè)計(jì)

以上述雷達(dá)系統(tǒng)中分布式供電最小供電單元為研究對(duì)象，從系統(tǒng)角度和可實(shí)現(xiàn)性角度出發(fā)，厚膜混合集成電源模塊集成EMI、控制使能電路和電源變換電路，單個(gè)電源模塊輸出電流5 V/4.8 A、-5 V/0.8 A 和28 V/6.4 A，合計(jì)輸出功率約207 W。

1.2.1 電路設(shè)計(jì)

電源模塊接收開(kāi)關(guān)機(jī)使能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)三路電壓輸出。根據(jù)電路單機(jī)內(nèi)部含有輸入浪涌抑制電路、EMI 濾波電路、輔助源電路、28 V 變換電路、5 V 變換電路和-5 V 變換電路等部分，原理框圖如圖5 所示。

圖5 電路原理框圖

電源模塊中28 V 電路功率變換電路采用獨(dú)立的功率變換電路，通過(guò)自身輸出反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。5 V 電路功率較小，共用一套功率變換電路，5 V 電路通過(guò)自身輸出反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，-5 V 電路通過(guò)后級(jí)二次穩(wěn)壓變換來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出?？刂齐娐凡捎梅逯惦娏餍兔}寬調(diào)制(PWM)控制方式，其開(kāi)關(guān)頻率固定，利用電流互感器采樣原邊電流信號(hào)，通過(guò)誤差電壓采樣控制環(huán)、峰值電流采樣控制環(huán)實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制。模塊具備過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)能力，通過(guò)對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，在輸出過(guò)流時(shí)采用恒流輸出方式，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能和短路保護(hù)功能，限流點(diǎn)設(shè)為120%滿載，可保證電路長(zhǎng)期工作在輸出短路狀態(tài)下而不發(fā)生燒毀，短路故障移除時(shí)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

1.2.2 布局設(shè)計(jì)

在內(nèi)部版圖設(shè)計(jì)上，控制部分的走線盡量遠(yuǎn)離輸出，將控制電路與功率電路在布局時(shí)分開(kāi)放置，以降低功率部分對(duì)控制部分的干擾；控制部分采用多層厚膜銀鈀布線技術(shù)制作多層基板，特點(diǎn)是器件多、走線關(guān)系復(fù)雜、器件發(fā)熱量小；功率電路采用散熱性能較好的氧化鋁厚銅覆銅陶瓷板(DBC)設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是電流較大，發(fā)熱量較大。

模塊內(nèi)部共有7 塊陶瓷基板，如圖6 所示，其中包含：C1多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實(shí)現(xiàn)EMI 濾波和開(kāi)關(guān)機(jī)使能；C2 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實(shí)現(xiàn)5 V 功率變換；C3氧化鋁厚銅DBC 基板，其功能是實(shí)現(xiàn)5 V 整流濾波；C4 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實(shí)現(xiàn)-5 V 變換；C5 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實(shí)現(xiàn)28 V 功率變換；C6 氧化鋁厚銅DBC 基板，其功能是實(shí)現(xiàn)28 V 整流濾波；C7 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實(shí)現(xiàn)電源輸出。模塊中除陶瓷基板外，還有兩只變壓器和兩只電感器，均采用RM 系列磁芯結(jié)合扁銅線繞制導(dǎo)體設(shè)計(jì)，磁性元件采用粘接工藝直接與電源殼體粘接，具有較好抗力學(xué)振動(dòng)和導(dǎo)熱特性。

整個(gè)機(jī)殼采用的是鋁硅合金材料，整體為金屬氣密性封裝結(jié)構(gòu)，輸入端和輸出端均采用氣密性電連接器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了強(qiáng)度、抗輻照和散熱要求，設(shè)計(jì)完成的電源模塊本體尺寸為120 mm×70 mm×13 mm，單機(jī)質(zhì)量0.27 kg，相較于傳統(tǒng)的陣面二次電源，質(zhì)量比功率從115 W/kg 提升到767 W/kg，體積比功率從0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

1.2.3 可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式

在復(fù)雜大型供配電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合中，由于供電電壓品種以及功能配置復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要將多個(gè)DC/DC進(jìn)行組合使用并且配置一定的EMI 濾波單元，但是受限于元器件選型范圍和建筑規(guī)范要求，導(dǎo)致DC/DC 模塊應(yīng)用上不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的組合，存在一定的資源浪費(fèi)和供配電安全隱患?？芍貥?gòu)電源模塊是一種基于最小供電單元的高可靠性供配電解決途徑。以傳統(tǒng)的DC/DC 變換器設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)角度需求出發(fā)，構(gòu)建多路輸出的可重構(gòu)電源模塊是一種靈活、快速的實(shí)現(xiàn)方式，其主要表現(xiàn)形式為輸出電壓可重構(gòu)?？芍貥?gòu)電源模塊通過(guò)對(duì)內(nèi)部單元進(jìn)行搭配組合，以內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，直接進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)多種輸出電壓設(shè)置，在工藝條件不變下，以最快速度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置可變，保證系統(tǒng)可靠性。

以本文中可重構(gòu)電源模塊為例，布局設(shè)計(jì)中C2、C3 和C4構(gòu)成的面積約為34 mm×80 mm，與標(biāo)準(zhǔn)的DC/D 模塊100 W的封裝尺寸基本一致，在尺寸上能夠兼容同等功率等級(jí)的各種電壓需求。在已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本電壓模塊還可以構(gòu)建兩種電源模塊方案：一種是雙路28 V 輸出的電源方案，將圖6中C2、C3 和C4 單元直接替換成C5 和C6 單元，合理設(shè)計(jì)輸出C7 單元，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部?jī)陕份敵?8 V 電源，該設(shè)計(jì)方案可以在大功率輸出場(chǎng)景應(yīng)用，利于系統(tǒng)的分布式設(shè)計(jì)；另一種是四路輸出5 V 和-5 V 輸出的電源方案，將圖6 中C5 和C6 單元直接替換成C2、C3 和C4 單元，內(nèi)部為四路輸出電壓，通過(guò)合理設(shè)計(jì)輸出C7 單元，既可以實(shí)現(xiàn)輸出四路電壓，也可以進(jìn)行主備一體化配置，有效提升系統(tǒng)可靠性。同時(shí)在其他系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)配置要求，進(jìn)行多電壓供電，這樣能夠減少模塊間互聯(lián)，同時(shí)直接匹配供電需求，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

2.1 力學(xué)仿真結(jié)果

陣面電源集成EMI 模塊和多路DC/DC 模塊電路，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)工作狀態(tài)和受力情況，進(jìn)行力學(xué)仿真分析。首先對(duì)電源模塊殼體進(jìn)行模態(tài)分析，保證電源模塊在滿足尺寸、質(zhì)量要求的前提下盡可能提高組件的固有頻率。根據(jù)振動(dòng)理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)比較大，高階模態(tài)可以忽略不計(jì)。前6 階的固有頻率如表1 所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果 Hz

然后在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)下的響應(yīng)仿真分析，結(jié)果如圖7 所示。隨機(jī)振動(dòng)載荷在垂直方向時(shí)，在固定處最大應(yīng)力值為26.99 MPa，安全裕度=200 MPa÷26.99 MPa-1=6.4。正弦振動(dòng)載荷在垂直方向時(shí)，在固定處最大應(yīng)力值為15.88 MPa，安全裕度=200 MPa÷15.88 MPa-1=11.5。仿真結(jié)果表明，隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)所引起的模塊內(nèi)部應(yīng)力變形較小，自身抗振動(dòng)性能很好，安全裕度滿足使用環(huán)境要求。

圖7 振動(dòng)應(yīng)力云圖

2.2 電路仿真設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證有源箝位電路設(shè)計(jì)的符合性，基于MATLAB/Simulink 建立仿真模型，如圖8 所示，仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)

圖8 仿真模型

得到的電路關(guān)鍵波形如圖9 所示。

圖9 仿真波形

仿真主功率MOS 管的最高電壓為115 V，電流峰值為9.5 A，從輸出啟動(dòng)波形可以看出28 V 上升時(shí)間約17 ms，無(wú)超調(diào)，滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

2.3 單機(jī)測(cè)試結(jié)果

對(duì)電源模塊進(jìn)行功能測(cè)試，包括輸出電壓及輸出電流、輸入電壓調(diào)整率、輸出電壓穩(wěn)定度、效率、輸入反射紋波、輸出電壓紋波、輸出啟動(dòng)時(shí)間、過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。電源模塊的常溫電性能指標(biāo)均滿足系統(tǒng)需求，效率達(dá)到88.53%，較傳統(tǒng)方式效率指標(biāo)得到大幅度提升，電性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。為驗(yàn)證該模塊環(huán)境力學(xué)適應(yīng)性，進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)一致，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，能夠滿足宇航力學(xué)環(huán)境使用要求。

表3 電性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)單機(jī)進(jìn)行電磁兼容測(cè)試，依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB151B-2013 進(jìn)行CE102、CE107、CS101、CS114 和RS103 等測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 電磁兼容測(cè)試結(jié)果

電源模塊滿載工作，輸入電壓60 V，工作電流3.93 A，合格判據(jù)為3 路輸出電壓為28、5、-5 V 范圍內(nèi)為正常。電源模塊合格通過(guò)5 項(xiàng)測(cè)試，具備良好的電磁兼容特性，其中典型CE102 正線測(cè)試曲線如圖10 所示。

3 結(jié)論

本文利用厚膜混合集成工藝，從系統(tǒng)配置的最小供電單元角度出發(fā)，靈活地將多個(gè)功能單元集成到一個(gè)微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高的可重構(gòu)分布式供電模塊。系統(tǒng)級(jí)厚膜混合集成陣面電源的效率從78%提升到88%，質(zhì)量比功率從115 W/kg 提升到767 W/kg，體積比功率從0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

電源模塊內(nèi)部功能單元可以組合變化，形成可重構(gòu)的電源模塊，適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜度需求。電源模塊內(nèi)部集成設(shè)計(jì)EMI、多個(gè)DC/DC 變換器和各種功能單元，有效提升了系統(tǒng)的集成度和適應(yīng)性，具備良好的電磁兼容性能，能夠滿足天線陣面供配電系統(tǒng)的高集成度和輕量化的應(yīng)用需求。