一種厚膜混合集成星載二次電源設(shè)計(jì)

摘 要：

針對(duì)星載雷達(dá)配套二次電源高功率、高效率、小型化的需求，提出一種二次電源設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹電路設(shè)計(jì)方案和工藝設(shè)計(jì)方案，在電源模塊內(nèi)集成功率變換、電涌抑制、電磁干擾（EMI）濾波、保護(hù)等多種功能電路，工藝上以厚膜混合集成微組裝工藝為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)上采用雙層組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真分析。最后研制樣機(jī)并進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的二次電源相比傳統(tǒng)電源，體積縮減了85%、重量減輕了74%，可以為星載雷達(dá)配套二次電源提供小型化、輕量化的解決方案。

關(guān)鍵詞：

二次電源; 星載雷達(dá); 混合集成; 微組裝; 厚膜技術(shù)

中圖分類號(hào)： TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）09-0051-09

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.008

Design of a Thick Film Hybrid Integrated SpaceborneSecondary Power Supply

ZHENG Dong， DONG Xiaowei， GAO Donghui， HUANG Yuwei

（The 43rd Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）

Abstract：

A design method for the secondary power supply is proposed to meet the demand of high-power， high-efficiency， and miniaturized secondary power supplies for spaceborne radar systems.The circuit design and the process design schemes are introduced in detail.The various functions such as power conversion， surge suppression， EMI filtering， and protection are integrated in the power module.The process is based on thick-film hybrid integrated microassembly technology and the structure adopts a double-layer assembly structure design.The simulation analysis is carried out.Finally， a prototype is developed and tested.Test results are confirmed that compared to traditional power supplies， the designed secondary power supply has reduced volume by 85% and weight by 74%，which can offer a miniaturized and lightweight solution for spaceborne radar system’s secondary power supply needs.

Key words：

secondary power supply; spaceborne radar; hybrid integration; microassembly; thick film technology

0 引 言

星載雷達(dá)系統(tǒng)中，相控陣?yán)走_(dá)的作用精度高、功能性強(qiáng)，因此受到廣泛應(yīng)用。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)其設(shè)備的小型化和輕量化也提出了更高的要求［1］。傳統(tǒng)的供電電源多采用二次電源組件的方式，其內(nèi)部由標(biāo)準(zhǔn)電源模塊和外圍電路構(gòu)成，外部則是鋁合金或鎂合金的封裝外殼。由于該類電源模塊集成度較低，實(shí)際使用時(shí)需要配置較多的外圍電路。這種二次電源組件的體積和重量都不能滿足雷達(dá)的小型化和輕量化設(shè)計(jì)要求［2-3］。

為解決上述問(wèn)題，提出一種厚膜混合集成二次電源設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案在二次電源內(nèi)部集成了3路隔離功率變換電路，同時(shí)包含電涌抑制電路、電磁干擾（EMI）濾波電路、控制指令電路、輔助源電路、二次濾波電路、保護(hù)電路等。工藝上摒棄傳統(tǒng)的表面貼裝（SMT）工藝，而是采用厚膜混合集成微組裝工藝，將鋁硅等新型輕質(zhì)材料作為封裝外殼，內(nèi)部采用雙層組裝架構(gòu)，下層以外殼底座表面為組裝面，上層則設(shè)計(jì)了一層鈦合金板作為上組裝面，使得空間利用率提高1倍，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)供電電源的微組裝一體化設(shè)計(jì)。

1 電路設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一款星載雷達(dá)配套的二次電源，其主要功能是將一次電源母線100 V直流電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的3種電壓輸出，分別為+42 V/7 A、+5 V/3 A和-5 V/1 A，給系統(tǒng)中的發(fā)射/接收（TR）、波控等組件供電。為了確保供電穩(wěn)定可靠，需要為二次電源設(shè)計(jì)電涌抑制、輸入欠壓保護(hù)、輸入熔斷保護(hù)等功能。由于二次電源非線性的工作特性，其工作中會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾［4］，因此還需要設(shè)計(jì)EMI濾波電路，解決與系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題。

1.2 電路設(shè)計(jì)

結(jié)合二次電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)，電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

二次電源電路由輸入保護(hù)電路、電涌抑制電路、EMI濾波電路、直流-直流（DC/DC）變換電路、輸出濾波電路和其他功能電路組成。

輸入保護(hù)電路：濾波器和DC/DC變換器均為掛接在一次電源母線上的器件，如果器件內(nèi)部發(fā)生短路，將直接威脅一次母線的安全，對(duì)整機(jī)威脅很大，必須采取可靠措施保護(hù)一次電源。

輸入端濾波電路：減少一次電源母線上的噪聲對(duì)DC/DC變換器的干擾，同時(shí)抑制DC/DC變換器中振蕩電路產(chǎn)生的噪聲反射到一次電源母線，滿足系統(tǒng)電磁兼容性要求［5］。

電涌抑制電路：在負(fù)載連通或斷開的瞬間，確保一次電源母線正常供電，將一次母線電涌電流控制在安全的范圍內(nèi)，保護(hù)后面器件工作安全。

為滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于輸出紋波的要求，二次電源輸出端需要加入必要的二級(jí)濾波電路。

1.2.1 電涌抑制電路

電涌抑制電路通過(guò)設(shè)置MOSFET管并讓其緩慢開啟來(lái)抑制電涌電流。輸入電涌電流抑制電路如圖2所示。在供電地線上串接N溝道MOSFET管，其柵極電壓受前端設(shè)計(jì)的RC充放電網(wǎng)絡(luò)控制。當(dāng)一次電源建立后，電容兩端的電壓不能突變，MOSFET管的柵源極電壓被箝位在0 V，MOSFET管處于截止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有電流通過(guò);隨著一次電源通過(guò)分壓電阻對(duì)電容充電，電容兩端的電壓逐漸升高，當(dāng)電壓達(dá)到MOSFET管的閾值電壓后，MOSFET管進(jìn)入放大區(qū)，其特性相當(dāng)于一個(gè)阻值逐漸減小的可變電阻，因而電涌電流得到抑制;通過(guò)調(diào)整RC的充電時(shí)間常數(shù)，可得到需要的電涌電流抑制效果。當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到使MOSFET管飽和導(dǎo)通后，MOSFET管飽和導(dǎo)通成為一個(gè)小電阻，電路正常工作。在MOSFET管緩慢開啟的過(guò)程中，輸入電涌電流消耗在MOSFET管的導(dǎo)通電阻上，從而保護(hù)后置電路及DC/DC變換器。

1.2.2 EMI濾波電路

EMI濾波電路主要由共模濾波電路和差模濾波電路組成。EMI濾波電路如圖3所示。電路的基本工作原理如下：當(dāng)供電系統(tǒng)的擾動(dòng)或干擾噪聲進(jìn)入EMI濾波電路并經(jīng)過(guò)EMI濾波電路的共模濾波電路和差模濾波電路后，噪聲被抑制到開關(guān)電源可接受的范圍內(nèi)，保證DC/DC電源的正常工作。當(dāng)DC/DC電源的噪聲進(jìn)入EMI濾波電路時(shí)，同樣經(jīng)過(guò)共模濾波電路和差模濾波電路后，被抑制到系統(tǒng)母線可接受的范圍內(nèi)，保證前端供電系統(tǒng)的正常工作。因此，EMI濾波電路具有雙向作用，可起到很好的隔離效果。

EMI濾波器通常設(shè)計(jì)為低通濾波器，主要由電感、電容、電阻等無(wú)源器件組成［6］。為了保證有效抑制噪聲，差模濾波電路和共模濾波電路部分通常采用多級(jí)串聯(lián)的方式。本方案綜合考慮濾波效果、尺寸、重量因素，采用兩級(jí)差模和兩級(jí)共模的方案。

1.2.3 DC/DC變換電路

DC/DC變換電路在充分考慮滿足用戶需求的情況下，優(yōu)先選用成熟應(yīng)用的具有飛行經(jīng)歷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外圍電路。

+5 V、-5 V輸出選用單端反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，其特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、需要的器件較少，有利于小型化設(shè)計(jì)［7］。輔助供電采用RCC自激振蕩電路，脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器選用XXXX02FCD，驅(qū)動(dòng)采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。+5 V和-5 V輸出電路原理框圖如圖4所示。

+42 V輸出選用硬開關(guān)全橋+次級(jí)肖特基全橋整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，其特點(diǎn)是輸出功率大、磁芯利用率高［8］，有利于提高功率變換的效率。輔助供電采用RCC自激振蕩電路（與±5 V共用），PWM控制器選用XXXX02FCD，驅(qū)動(dòng)采用隔離驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。+42 V輸出電路原理框圖如圖5所示。

基本工作原理：輸入的直流電壓經(jīng)輸入L、C濾波，由隔離供電電路提供輔助電壓，并由PWM控制器產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)一次側(cè)VDMOS管工作，同時(shí)使變壓器工作在高頻狀態(tài)，進(jìn)而完成能量由初級(jí)向次級(jí)傳遞，次級(jí)輸出經(jīng)整流、濾波后得到所需要的直流電壓。為了實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，采用輸出電壓取樣，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較、放大及隔離反饋后控制PWM控制器的占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)功能。在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)功率開關(guān)管的電流進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)流、短路保護(hù)等功能。

2 工藝設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 外部封裝設(shè)計(jì)

二次電源整體采用金屬全密封外殼封裝，殼體材料選用鋁硅材料。鋁硅具有良好的導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率達(dá)120 W/（m·K），是常規(guī)10#鋼的3倍;密度小，重量是同尺寸10#鋼外殼的1/3;熱膨脹系數(shù)與10#鋼基本一致，與Al2O3陶瓷熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，可避免溫度循環(huán)以及長(zhǎng)期老化對(duì)二次電源產(chǎn)品質(zhì)量的沖擊［9］。

二次電源外殼側(cè)壁上端使用Au80Sn20焊接工藝焊接10#鋼材質(zhì)封口環(huán)，并采用平行縫焊工藝密封。接插件采用Au80Sn20焊接工藝封接在外殼上。外殼設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

2.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二次電源內(nèi)部元器件較多，組裝密度較高，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用混合集成工藝組裝。為了盡可能地增加可組裝面尺寸，設(shè)計(jì)了雙層組裝結(jié)構(gòu)。

二次電源內(nèi)部按照布局分為上、下2層，外殼底座表面為下組裝面，外殼設(shè)計(jì)固定凸臺(tái)并安裝鈦合金板為上組裝面。鈦合金板具有強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)與陶瓷基板接近的優(yōu)點(diǎn)，可用作混合集成電路二次電源產(chǎn)品上層懸空支撐金屬板，本項(xiàng)目中選用1.2 mm厚鈦合金板，其強(qiáng)度可滿足應(yīng)用需求。

二次電源的功率變換部分包含大量功率器件，如功率MOS管、肖特基二極管、大功率變壓器、電感器等，考慮到器件散熱需求，設(shè)計(jì)組裝在下組裝面或外殼側(cè)壁，降低對(duì)外熱阻。

二次電源的輸入EMI濾波電路、電涌抑制電路、信號(hào)控制電路等，由于其屬于非功率器件，設(shè)計(jì)組裝在上組裝面。

功率部分根據(jù)電路電流大小及散熱要求，采用厚膜BeO、AlN覆銅基板工藝，降低二次電源產(chǎn)品大電流通路阻抗。信號(hào)部分采用厚膜基板多層布線工藝，最大限度地提高二次電源產(chǎn)品密度，降低封裝尺寸。功率部分基板和信號(hào)部分基板采用焊接工藝組裝至金屬封裝外殼內(nèi)的上下組裝面，實(shí)現(xiàn)二次電源產(chǎn)品密封封裝。電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

2.2 基板工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 厚膜成膜工藝途徑

二次電源電路內(nèi)部上層的輸入功率部分使用厚膜BeO基板，熱導(dǎo)率為200 W/（m·K），可最大限度降低功率MOS管對(duì)外熱阻，其中導(dǎo)體使用低方阻的PtAg漿料，方阻為1～2 mΩ/方（1方=0.7 mm×0.7 mm）。版圖布線設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮

降低大電流通路的方數(shù)，以降低厚膜導(dǎo)體中大電流通路的總阻抗。

上層信號(hào)控制電路使用的厚膜工藝基板，載體采用Al2O3基板，導(dǎo)體制作采用Au、PtAg導(dǎo)體材料，成膜電阻應(yīng)用激光有源調(diào)阻方式微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)3層導(dǎo)體布線，提升信號(hào)部分組裝密度，降低封裝尺寸。

厚膜成膜主要是采取絲網(wǎng)印刷漏印工藝，將待制作的導(dǎo)體、絕緣、電阻、包封等黏性漿料漏印到陶瓷基片上，然后通過(guò)烘干燒結(jié)以去除印刷后的圖形中的有機(jī)成分，并使具有黏接性能的玻璃、氧化物的功能通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)與基底材料連接起來(lái)。由于厚膜成膜材料為黏性材料，需要烘干或燒結(jié)后才能去除具有黏性的有機(jī)成分，為便于工藝操作，每種材料印刷后均需要烘干或燒結(jié)才能制作下一層，典型的成膜工藝流程為“—絲網(wǎng)印刷—烘干燒結(jié)—絲網(wǎng)印刷—”。典型的成膜基板結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

2.2.2 覆銅基板工藝途徑

二次電源下層功率變換部分采用的高導(dǎo)熱AlN覆銅基板，可以降低二次電源損耗、提高效率，并為功率元器件散熱至地板提供良好的低熱阻途徑。

AlN陶瓷覆銅板由銅片和陶瓷基板構(gòu)成。覆銅板照片如圖9所示。AlN覆銅板介質(zhì)材料為陶瓷基板，具有熱導(dǎo)率高［170 W/（m·K）］、絕緣耐壓大、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，其所用的銅片為高純無(wú)氧銅，Cu含量超過(guò)99.99%，銅片厚度一般為0.1～0.3 mm，因此具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和非常強(qiáng)的載流能力［10］。

2.3 抗輻射設(shè)計(jì)

星載二次電源的工作環(huán)境極為特殊，長(zhǎng)期暴露在各種粒子和射線的輻射中，因此防護(hù)的主要手段是屏蔽防護(hù)。通過(guò)密封的金屬外殼可以屏蔽大部分的輻射，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮元器件級(jí)的防護(hù)［11］。

元器件級(jí)的防護(hù)主要是針對(duì)二次電源的輻射敏感器件，選擇輻射加固的型號(hào)。二次電源中，內(nèi)部阻容元件、磁性元件、二極管、三極管等器件均對(duì)輻射不敏感。對(duì)輻射敏感的器件，如PWM控制芯片、驅(qū)動(dòng)器、MOS管等器件，需要進(jìn)行一定的抗輻射加固。輻射敏感元器件如表1所示。所選擇的器件均具有一定的抗輻射指標(biāo)。

3 仿真分析

3.1 熱學(xué)仿真

仿真分析前，需要建立二次電源熱仿真網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)對(duì)二次電源幾何模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，刪除不影響散熱的器件（如連接器等）。熱仿真網(wǎng)格模型如圖10所示。

仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：仿真模式設(shè)置為穩(wěn)態(tài)分析;起始溫度設(shè)置為50 ℃，電源底部外側(cè)設(shè)置為恒溫50 ℃，仿真至工作溫度穩(wěn)定;基板為Al2O3材質(zhì)，底座為鋁硅（SiAl），中間隔板為鈦合金，封口環(huán)為10#鋼，蓋板為4J29。

二次電源穩(wěn)態(tài)工作時(shí)仿真溫度分布如圖11所示。

圖11 二次電源穩(wěn)態(tài)工作時(shí)仿真溫度分布

由圖11可知，最高元器件結(jié)溫為91.1 ℃，發(fā)生在功率最大的變壓器上，MSOFET管等功率較大的器件結(jié)溫為82.4 ℃，未超過(guò)Ⅰ級(jí)降額要求85 ℃。

3.2 力學(xué)仿真

二次電源力學(xué)分析網(wǎng)格模型如圖12所示。在二次電源6處Φ3.3通孔設(shè)置固定約束，模擬安裝條件，鈦板上元器件質(zhì)量以均布質(zhì)量的形式進(jìn)行模擬，添加30 g的均布質(zhì)量。模型建好后分別進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。

3.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析前6階振型及頻率仿真結(jié)果如圖13所示。一階基頻為820 Hz。由模態(tài)結(jié)果可知，垂直電源板安裝方向（即厚度方向）為振動(dòng)敏感方向。

3.2.2 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表2所示。

按照振動(dòng)條件，在振動(dòng)敏感方向加載。二次電源應(yīng)力及變形分布如圖14所示。由圖14可知，鈦板的最大應(yīng)力為8.5 MPa、最大變形為0.004 mm，蓋板最大應(yīng)力為126.2 MPa、最大變形為0.154 mm，鋁硅底座的最大應(yīng)力為9.6 MPa、最大變形為0.003 mm。

由隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果可知，蓋板最大變形約為0.154 mm，需要進(jìn)行一定加固。根據(jù)器件布局情況，在功率變壓器上方點(diǎn)膠，對(duì)蓋板進(jìn)行黏接加固。蓋板加固后一階振型、隨機(jī)振動(dòng)下變形及應(yīng)力情況如圖15所示。一階基頻由820 Hz提高到1 139 Hz，蓋板變形由0.154 mm下降到0.103 mm，最大應(yīng)力由126.2 MPa下降到100.6 MPa。

綜合模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，二次電源在規(guī)定力學(xué)試驗(yàn)下，最大變形為0.103 mm，滿足使用要求，最大應(yīng)力為100.6 MPa，取安全系數(shù)1.5，安全裕量Ms＞0，故滿足力學(xué)使用要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案開展樣品試制，并對(duì)試制樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。二次電源樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

電源電壓建立波形如圖16所示;輸出紋波電壓如圖17所示。

試制樣品與傳統(tǒng)組件電源的實(shí)物對(duì)比如圖18所示。由圖18可知，按照混合集成方案的二次電源樣機(jī)，其尺寸和重量相比傳統(tǒng)方案大大減小了。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種高度集成化厚膜混合集成二次電源，包含+42 V、+5 V、-5 V三路輸出，總功率達(dá)到314 W，效率達(dá)到88.7%。功率密度到達(dá)了101 W/in3。相對(duì)于傳統(tǒng)方案，體積縮減了85%，重量減輕了74%，有利于系統(tǒng)的小型化和集成化，可以滿足星載系統(tǒng)設(shè)備高度集成化的要求。

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收稿日期： 2024-06-21