一種適用于DC/DC變換器大功率外殼的設(shè)計(jì)

潘建男，于長(zhǎng)存

北京七星華創(chuàng)微電子有限責(zé)任公司，北京，100020

0 引言

該電路類型為混合集成電路，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)標(biāo)進(jìn)口65W～150W功率產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種外殼為扁平側(cè)出針的結(jié)構(gòu)，通常應(yīng)用于大功率DC/DC變換器[1]產(chǎn)品中。原外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品內(nèi)部引針出針長(zhǎng)度均為1.5mm，功率引腳采用粗銅線手工焊接在內(nèi)引出針端頭、控制引腳采用金絲壓焊的方式實(shí)現(xiàn)引線與基片的電氣連接，不僅操作難度大，而且引針容易受到機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致玻璃絕緣子受到損傷，影響到產(chǎn)品的氣密性；外殼兩端由于整體安裝法蘭的存在，外出針與整機(jī)板連接時(shí)需要一段比較長(zhǎng)的銅線才能實(shí)現(xiàn)連接，長(zhǎng)銅線主要是保證銅線與外殼底部的安裝法蘭存在一定的安全間距，避免焊接時(shí)造成引針與外殼短路的風(fēng)險(xiǎn)。由于DC/DC變換器傳統(tǒng)功率外殼存在以上缺點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)外殼結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)、對(duì)內(nèi)部組裝工藝的更改，保證了內(nèi)、外部的有效連接、組裝更便捷、可靠性更高。

1 基本工作原理

電路輸入端經(jīng)過(guò)π型濾波電路，部分電流為控制芯片啟動(dòng)時(shí)供電（當(dāng)電源模塊處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，芯片工作所需電流由功率轉(zhuǎn)換電路提供），主功率大電流經(jīng)過(guò)模塊電源的功率回路，控制芯片通過(guò)調(diào)整功率電路中開(kāi)關(guān)管在固定周期里的導(dǎo)通時(shí)間，將直流輸入變?yōu)榭煽氐拿}動(dòng)電流，該電流流經(jīng)變壓器初級(jí)側(cè)，通過(guò)改變變壓器的初次級(jí)線圈匝數(shù)比，在變壓器的輸出側(cè)得到合適的脈動(dòng)方波電壓，該電壓經(jīng)整流濾波后得到帶有交流分量的直流電壓。交流分量的頻率與主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率相同。整流后的輸出電壓信號(hào)通過(guò)反饋電路將反饋信號(hào)提供給控制器，控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)該信號(hào)調(diào)整主開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)，以此達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

此DC/DC變換器電路主要采用正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入電壓為16～40V（標(biāo)稱28V），可實(shí)現(xiàn)9V穩(wěn)定輸出電壓，最大工作電流為6.6A，開(kāi)關(guān)頻率為400kHz～500kHz，且內(nèi)置禁止功能和短路保護(hù)功能。禁止端高電平、懸空狀態(tài)電路輸出正常，禁止端電壓小于0.8V電路無(wú)輸出；短路保護(hù)功能是指產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)輸出短路的情況下電路處于自我保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)短路保護(hù)結(jié)束后，電路可恢復(fù)正常工作。

2 產(chǎn)品組成

本電路主要由輸入濾波、功率轉(zhuǎn)換、整流濾波、反饋穩(wěn)壓、電流采樣、PWM控制電路等部分構(gòu)成。內(nèi)部各個(gè)部分功能如下。

①輸入濾波電路[2]：輸入濾波部分主要是為了抑制反串紋波對(duì)電源線的干擾，減小輸入紋波電流，同時(shí)抑制電源線波動(dòng)對(duì)負(fù)載的干擾，該電路采用π型濾波電路進(jìn)行濾波。

②功率轉(zhuǎn)換電路：為正激變換器，含有功率開(kāi)關(guān)、正激變壓器、電感、整流和續(xù)流二極管等，輸入電壓通過(guò)濾波電路后連接到變壓器的一端，再經(jīng)過(guò)變壓器的原副邊匝比關(guān)系將功率電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

③整流濾波電路：由電容與電感組成電容濾波以降低輸出電壓的紋波。整流電路由肖特基二極管組成，利用二極管的單向?qū)щ娞匦詫⒏边叺慕涣麟妷赫鞒芍绷髅}動(dòng)電壓，經(jīng)過(guò)一個(gè)電容得到平滑的直流電壓。

④反饋穩(wěn)壓電路：通過(guò)TL431和光耦實(shí)現(xiàn)輸出電壓隔離反饋。

⑤電流采樣電路：采用電流互感器的采樣方式。

⑥PWM（UC1843）控制電路：輸出電壓反饋信號(hào)經(jīng)UC1843內(nèi)部誤差放大器的比較運(yùn)算，由UC1843的1腳COM端輸出，經(jīng)兩個(gè)二極管壓降及電阻分壓后的1/3電壓，與3腳的電流采樣信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)PWM比較器與RS鎖存器、邏輯門(mén)等電路處理，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電路采用金屬全密封[3]功率外殼封裝，外殼封裝尺寸：76.33mm×38.23mm×10.16mm；內(nèi)腔體積約28cm3，管殼材料為10#鋼材質(zhì)，鍍層為鍍鎳；蓋板材料為4J42，鍍層為鍍鎳；加工工藝采用厚膜混合集成工藝技術(shù)；內(nèi)部充氮?dú)獗Ｗo(hù)，有效防止了產(chǎn)品由于受潮、氧化、鹽霧、污染所造成的器件失效。外殼側(cè)邊保留法蘭盤(pán)安裝孔的位置，外引出針正下方的法蘭盤(pán)做挖槽處理，內(nèi)部引出針根據(jù)排版走線的需要設(shè)計(jì)成不同長(zhǎng)度的出針，保證了所有內(nèi)引出針都可以采用焊接支架與基板連接，具體外殼結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 外殼結(jié)構(gòu)圖

4 工藝組裝設(shè)計(jì)

該電路基于厚膜混合集成工藝，內(nèi)部包含脈寬調(diào)制器芯片、場(chǎng)效應(yīng)管芯片、穩(wěn)壓器芯片、運(yùn)算放大器芯片、二極管芯片、三極管芯片、光耦、錫鉛端頭多層瓷介電容器、錫鉛端頭片式厚膜固定電阻器、金端頭片式厚膜固定電阻器、電流互感器、電感、變壓器等器件。設(shè)計(jì)時(shí)采用2塊氧化鋁厚膜陶瓷基片，規(guī)格尺寸分別為：33.1mm×25mm×0.635mm、33mm×14mm×0.635mm；表面導(dǎo)體為金和鈀銀導(dǎo)體；包封釉使用在基材和導(dǎo)體表面的非焊接區(qū)域；介質(zhì)使用在上下層導(dǎo)體間，用于兩層導(dǎo)體間的隔離。

器件內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管和肖特基二極管芯片為軟釬焊，光耦為絕緣膠粘接，其余芯片為導(dǎo)電膠粘接；金端頭片式厚膜固定電阻器采用絕緣膠粘接；錫鉛端頭多層瓷介電容器、錫鉛端頭片式厚膜固定電阻器、電流互感器為軟釬焊，均安裝在厚膜基片上；厚膜基片背面通過(guò)軟釬焊燒焊在管殼上；變壓器、電感貼殼粘接固定，變壓器引出線端頭采用手工焊接與銅支架連接，銅支架采用再流焊的焊接方式與基板連接，電感中的兩根引出線采用手工焊接工藝通過(guò)銅支架與基片連接，另外兩根引出線采用手工焊接工藝直接與基片連接；場(chǎng)效應(yīng)管的S極和肖特基二極管芯片采用鋁絲超聲鍵合、場(chǎng)效應(yīng)管的G極采用金絲球焊熱超聲鍵合，其余芯片采用25μm金絲球焊熱超聲鍵合。兩塊氧化鋁厚膜基片通過(guò)跨接線（采用手工焊接工藝）進(jìn)行連接。基板正面和背面均采用軟釬焊料，主要成分為Sn62Pb36Ag2，引出線端頭、跨接線手工焊接焊料成分為Sn63Pb37。

5 輸出效率設(shè)計(jì)

（1）該產(chǎn)品輸出功率大，在方案設(shè)計(jì)時(shí)選用正激拓?fù)?，正激拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源中，變壓器不需要開(kāi)氣隙，其初級(jí)、次級(jí)漏感都比較小，相對(duì)損耗也會(huì)降低，從而提高了產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率[4]。

（2）變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，選用罐形磁芯P1408（PC50材質(zhì)），截面積Ae＝0.251cm2；取頻率f＝450kHz，最大磁通密度ΔB=1000GS。

（3）合理設(shè)計(jì)變壓器的匝比關(guān)系，以兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性、功率器件的應(yīng)力等，使得每個(gè)繞組能均勻平鋪整個(gè)窗口；采用三明治繞法，即原邊包副邊的繞制方法，可有效地降低變壓器的漏感，達(dá)到提高產(chǎn)品效率的目的；版圖設(shè)計(jì)上，功率回路走線需要印刷兩遍，以減小產(chǎn)品工作時(shí)的導(dǎo)通電阻，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率。

6 輸出紋波設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有體積下，參照其他類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，最終選擇一路獨(dú)立的PWM控制電路，采用正激拓?fù)?，其正激電感可等效作為輸出端的差模電感，考慮到輸出紋波電壓要求高的問(wèn)題，主路輸出濾波方式采用LC濾波。版圖設(shè)計(jì)時(shí)，各路的功率地與信號(hào)地分開(kāi)鋪設(shè)，且單點(diǎn)連接，避免交叉重疊帶來(lái)干擾，同時(shí)信號(hào)地與功率地的連接點(diǎn)盡量避免在電流回路中，保證信號(hào)地不受干擾。優(yōu)化PWM控制器外圍電路的版圖設(shè)計(jì)，振蕩電阻RT、振蕩電容CT、電流采樣的低通濾波器、電壓反饋環(huán)路補(bǔ)償器就近放置在控制器附近，并遠(yuǎn)離功率回路的開(kāi)關(guān)管、整流管、變壓器等干擾源器件，以避免受到干擾。輸出功率回路面積應(yīng)盡量減小，以避免輻射干擾。

7 可靠性設(shè)計(jì)

①元器件的選擇：根據(jù)產(chǎn)品的電性能及用戶的要求，編寫(xiě)了各類元器件檢驗(yàn)技術(shù)條件，規(guī)定了元器件的生產(chǎn)廠家，元器件的采購(gòu)和進(jìn)廠檢驗(yàn)嚴(yán)格按照技術(shù)條件進(jìn)行。所有元器件的供應(yīng)商為公司合格供應(yīng)商目錄內(nèi)的單位。

②可靠性[5]預(yù)計(jì)：根據(jù)電路的工作環(huán)境和GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，其應(yīng)用環(huán)境為環(huán)境分類的運(yùn)輸機(jī)無(wú)人艙類別AUC，計(jì)算出產(chǎn)品的可靠度R=e-λp=0.99999277，滿足用戶技術(shù)協(xié)議的要求。

③模塊的發(fā)熱元器件主要是芯片和電感，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)芯片和電感進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化?；迳洗蠊β首呔€采用鈀銀導(dǎo)體，且導(dǎo)體印制兩遍，增大與器件焊盤(pán)相連接的導(dǎo)體面積，可有效降低器件熱阻，以增強(qiáng)散熱，同時(shí)在版圖上均勻分布，使熱源均勻分布，通過(guò)版圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高了產(chǎn)品的可靠性。

8 測(cè)試性情況

為使系統(tǒng)和設(shè)備完好、任務(wù)成功，以及降低對(duì)人力和資源的要求，根據(jù)GJB 2547A—2012《裝備測(cè)試性大綱》開(kāi)展了測(cè)試性設(shè)計(jì)工作。因模塊是一個(gè)并不復(fù)雜的系統(tǒng)，它的測(cè)試性[6]較為簡(jiǎn)單，借助于穩(wěn)壓電源、示波器、數(shù)字表、專用測(cè)試工裝等設(shè)備夾具，可以完成測(cè)試，及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作、性能下降）。模塊在裝入整機(jī)后，通過(guò)輸出電壓的高低大小，判斷模塊的工作狀態(tài)，并有效地識(shí)別故障位置，便于維修。

9 關(guān)鍵生產(chǎn)工藝攻關(guān)情況

①基板設(shè)計(jì)：本產(chǎn)品由于外形尺寸大，方案設(shè)計(jì)時(shí)選用兩片尺寸不同的白基片做襯底，兩塊基片分別位于外殼的兩邊，這樣可以防止因基片尺寸過(guò)大，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受力出現(xiàn)裂紋，變壓器、正激電感位于兩片基片中間，該基片的設(shè)計(jì)不僅增加了一定的排版面積，也能使變壓器、電感等功率器件可直接貼殼散熱。

②工藝組裝：本產(chǎn)品按功率電路設(shè)計(jì)，基片與外殼間采用再流焊的方式進(jìn)行組裝。該產(chǎn)品由兩塊大小不同的基片組成，左側(cè)基片放置輸入電路，右側(cè)基片放置輸出回路，兩個(gè)基片中間放置電感與變壓器。

控制部分電容器采用0402、0603尺寸的多層瓷介電容器（錫鉛端頭），組裝工藝為再流焊工藝。為提高產(chǎn)品的裝配合格率與可靠性，將再流焊器件中兩個(gè)或多個(gè)元器件共用一個(gè)焊盤(pán)的問(wèn)題，用包封釉進(jìn)行隔離處理；電路中元器件焊盤(pán)與導(dǎo)體同寬的問(wèn)題進(jìn)行焊盤(pán)加大處理。該電路的輸出功率大，變壓器采用多股線繞制而成，若直接焊接到基片上，產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)溫循、老煉等篩選時(shí)，會(huì)對(duì)焊盤(pán)造成不可逆的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)脫落，為防止此類問(wèn)題的發(fā)生，增加了變壓器支架設(shè)計(jì)，即變壓器引出線端頭采用手工焊接與銅支架連接，銅支架采用再流焊的焊接方式與基板連接；銅支架起到了應(yīng)力釋放的作用。

10 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的大功率DC/DC變換器性能指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)要求，滿足用戶使用需求，并制定了產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范，該產(chǎn)品關(guān)鍵工藝技術(shù)問(wèn)題均已解決，產(chǎn)品配套原材料及輔助材料供貨渠道穩(wěn)定可靠。產(chǎn)品經(jīng)公司質(zhì)保中心所屬的試驗(yàn)室進(jìn)行鑒定考核，鑒定檢驗(yàn)合格。用戶試用試驗(yàn)合格，滿足整機(jī)要求。本產(chǎn)品通過(guò)對(duì)扁平封裝側(cè)出針功率外殼的設(shè)計(jì)攻關(guān)，有效解決了側(cè)出針內(nèi)、外部電氣連接時(shí)操作困難、機(jī)械應(yīng)力大的問(wèn)題，攻關(guān)后有效提升了產(chǎn)品的組裝效率和可靠性。