三路芯片化DC/DC 变换器的设计

2019-08-23靳宝军王浩全张海侠

通信电源技术 2019年7期

靳宝军，王浩全，张海侠，张敏

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

随着电子产品的发展，人们对电源可靠性、容量/体积比以及技术性能要求越来越高。这种情况下，芯片化模块电源越来越显示出优越性。它体积小、可靠性高、工作温度范围宽，便于安装组合，被广泛采用。该产品只是芯片化电源的一种，工作原理与传统模块电源大同小异。本文在研制过程中遇到并解决了一些特殊难题，现对其进行总结，以供参考。

1 设计原理

配备该产品的总线电压28.5 V，内部的仪表、电路需要的工作电压为5 V、±15 V。该产品的作用是将28.5 V的总线电压隔离转换成5 V、±15 V的电压供整机内部的仪表、电路使用。该产品采用光耦隔离反馈、单端正激模式，通过误差反馈对输出电压进行稳定控制，通过滤波电路有效抑制输出纹波。

具体地，研制目标如下：

（1）输入电压：28.5 V±3 V；

（2）输出电压：5.1 V；+15 V，-15 V；

（3）输出电流：+5.1 V/5 A，+15 V/0.8 A，-15 V/0.2 A；

（4）输出功率：40 W；

（5）输入/输出隔离：隔离；

（6）外形尺寸：64 mm×38 mm×10.5 mm。

2 电路设计

2.1 工作原理

电源线路基本相同，均采用单端正激模式。模块电源由输入滤波、启动电路、脉宽调制器电路、保护电路、取样反馈电路以及输出滤波电路等组成，电路见图1。

图2 电路原理图

工作原理，见图2。变换器输入端设计有一个π型滤波电路，以减小供电系统与变换器内部之间的相互干扰。滤波电路后是线性稳压电路，主要为脉宽控制器提供稳定的工作电压。由于脉宽控制器的输入端内部设有一个13.5 V的稳压管，供电电压如果超过13.5 V，会损坏脉宽控制器，所以线性稳压电路提供的电压为10.5～11.5 V。脉宽控制器工作后，产生方波推动MOS管间断导通，使DC/DC变换器初级主回路中产生间断电流，通过变压器隔离感应至次级，经过二极管整流，电感、电容滤波后经功率端输出。输出端设有取样电路，取样电压设为5.1 V。当输出电压大于5.1 V时，三端可编程并联稳压二极管TL431A导通，输出电压超出5.1 V的大小与TL431A导通的电流成正比。输出电压小于5.1 V时，TL431A导通的电流为0 A。TL431A与产品中的光电耦合器是串联关系，TL431A导通电流的变化通过光电耦合器以线性关系反馈到脉宽控制器，脉宽控制器通过反馈的信号对推动MOS管的方波脉宽进行对应调整，以增大或减小初级主回路中的电流流通时间，控制感应到次级的能量，起到次级输出电压稳定的作用。+15 V工作原理与5.1 V相同，-15 V采取跟随+15 V的方式稳压，变压器与电感与+15 V并绕，空载进行电压抑制。

2.2 结构设计

该产品在结构上采用标准12线腔体直插金属全密封外壳，材料选用可伐合金（4J29），表面有镀镍层用于防盐雾。产品采用引线镀金，玻璃绝缘子隔离的平行缝焊外壳；内部板与外壳内引线采用双股镀银铜丝焊接方式进行连接，外壳使用平行缝焊结构；元器件采取必要的降额设计，表贴元件即功率裸芯片采用再流焊工艺，使产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境。

2.3 工艺设计

工艺采用厚膜混合集成裸芯片组装工艺，金属外壳，平行缝焊封装。电路承载的基片选用Al2O3陶瓷基片。产品中集成电路等元器件均采用裸芯片。

3 关键问题的解决

3.1 电路滤波问题

初样产品测试过程中发现纹波大的问题。经分析，输出纹波基波值满足要求，但谐波分量太多，存在影响整机误计算的可能性。该产品内部为3路输出，2组控制回路，其中1路控制+5 V，1路控制±15 V。将2路控制电路的工作频率同步到一个点上，同时对版图中的地线进行优化，从减少谐波分量的角度降低纹波，取得了较好效果。改进后的样品进行用户测试，答复纹波依旧存在使整机误操作的可能性。后续在产品后端增加滤波电路，能够进一步降低纹波数值，但降低幅度不大。经过相关试验，增加滤波电路需对电路相关部位的参数进行对应调整，才能起到大幅降低纹波的效果。为了最大化降低纹波，全面优化影响产品纹波的因素，降低自身工作过程中振荡脉冲谐波对外的辐射值，降低相互的干扰幅度，调整特殊点位的吸收量值，最终组装出的产品纹波降低幅度达到60%的最佳效果。产品在外部不接电容且满载条件下，采用带地线环测试，纹波峰峰值小于30 mV；采用不带地线环测试，纹波峰峰值小于8 mV。改进后生产的样品得到了用户好评，满足了用户需求。

3.2 批产化问题

产品批量化生产基本要求：工序最少，组装最简，采购方便。DC/DC电路生产中，由于元器件质量及其参数的离散性，会有部分产品的部分技术指标产生差异，需要前期设计时进行电路调试。具体地，主要是通过个别元件或电路参数的微调校正产品技术参数，从而达到设计要求。电路调试技术要求较高，调试过程复杂，单个指标的调整常常会影响其他指标。因此，必须在设计时做精确计算，避免过程调试。如果需要验证，在小批量试流时予以解决。验证后的产品，在生产时组装的正确率即代表合格率，这样才具备芯片化电源批产的要求。为了保证产品的组装合格率，生产中要严格按照工艺要求操作，避免贴片、焊接各工序的人为错误。合理分布检验检测点，消除低级错误。合理的设计保证组装的正确率，组装的正确率保证产品的合格率。只有保证产品的合格率，才能解决批产化问题。另外，考虑到易于采购，对设计过程中元件的选取采用了通用化、可替换代用的做法，不能通用、替换的元件固定生产厂家，保证质量，以适应于大批量生产采购的要求。