刘林 丁瀚

（中国电子科技集团公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

目前我们国家正在进行探月二期、探月三期工程的实施，未来还要建立月球基地，实现载人登月，对月球进行更深入的开发。白天月表高温可达127℃以上，常规的高可靠混合集成DC/DC 电源的工作温度范围只有-55～125℃，无法满足探月工程未来的需求，考虑到温度降额，因此需要针对最高工作温度175℃以上的高可靠DC/DC 电源开展研究，为后续包括探月在内的深空探测工程提供保障。本文中介绍了一种基于SOI 工艺的高温DC/DC 电源的设计，最高工作温度可以达到185℃以上。该种电源还可以应用到深井勘探、飞机发动机控制系统和内燃机车控制系统等系统中。

2 电路方案设计

本文所要完成的电路基本要求是：

（1）输入电压：28V±3V；

（2）输出直流电压：±12V；

（3）输出功率：12W；

（4）输出纹波电压：≤600mV；

（5）效率：≥70%；

（6）工作温度范围：-55～185℃。

2.1 高温电源电路拓扑结构的设计

电路选择了相对简单的反激式电路拓扑结构。反激式拓扑结构电路简单，所需的元器件较少，主要适用于中小功率电源电路。且反激电路作为成熟技术，可以有效地保证电路的可靠性。

电路原理框图如图1所示：采用单端反激式结构，由辅助电源、高频反激变压器、功率开关管、脉宽调制器（PWM）、整流滤波电路、取样比较磁隔离反馈电路、电流取样电路等电路组成。

2.2 高温元器件研究

限制半导体元器件最高工作温度的主要因素是高温泄漏电流。必须优选高温泄漏电流较小的半导体元器件开展高温DC/DC 电源的研制工作。

SOI（Silicon on insulator）技术是在顶层硅与衬底硅之间引入了一层埋氧化层，与常规硅基芯片技术相比不存在大面积的阱-衬底pn 结，使泄漏电流显著减小；由于消除了pnpn 可控硅结构，从而杜绝了热激发闩锁效应。采用SOI 材料制作的半导体器件的最高工作温度可以超过300℃。

本电路中选择了基于SOI 工艺生产的脉宽调制器CHTMAGAMA、功率MOS 管CHT-NMOS8005 和CHT-SNMOS80 等器件进行了研究工作，最高工作温度达到了185℃以上。

表1：主要技术指标实测结果

图1：电路工作原理框图

图2：磁隔离反馈电路

2.3 高温磁隔离反馈电路的设计

反馈技术的设计方案主要有光电隔离反馈及磁隔离反馈，由于采用光电反馈所能选到的光电器件无法耐高温，在本项目中选择磁隔离反馈的方案设计。

图3：组装封装工艺流程

反馈电路仍然采用和主控制器一样的CHT-MAGMA 型脉宽调制器芯片进行设计，电路图如图2所示，基本构造仍是一个反激拓扑。

工作原理如下：

当Q1 导通时，反馈变压器T2 的原边A 绕组导通，B 绕组开始储存能量；当Q1 关断时，绕组中储存的能量由Q2 释放。B 绕组用来重置变压器的磁通，将能量传回供电。因此，该电路直流损耗非常小。次级绕组将输出电压进行电压变换后传输回原边，再经整流分压，作为反馈电压控制脉宽调制器的占空比，从而实现输出电压的稳定。

2.4 高温电源电路的结构设计

电路的结构方案，采用全密封金属封装结构，电路的载体选用AL2O3，壳体材料为冷轧钢，外引线采用铜芯复合材料。

冷轧钢导热性能良好，与陶瓷基板有优良的热匹配性，可避免温度循环以及长期老化对产品质量的冲击。封口使用平行缝焊技术在氮气环境中进行封装，以保证气密性。引出脚为扁平引线形式，散热面在外壳底部，功能引脚由侧面引出，有利于电路散热和电气连接。

2.5 高温电源电路的工艺设计

高温DC/DC 电源采用厚膜混合集成工艺制作。陶瓷成膜基片采用丝网印刷、烧结等厚膜工艺制作；成膜基片采用再流焊接工艺与金属管壳形成焊接；再将电容、裸芯片、变压器、电感器等元器件采用焊接和粘接等工艺装配到基片上及外壳中；最后进行气密封装。组装工艺可承受-65℃～185℃的环境试验考核。

组装工艺流程图如图3所示。

3 电路达到的性能

采用高温厚膜混合集成工艺和金属气密封装技术研制的高温DC/DC 电源样品实测的主要技术指标如表1所示。可以看出，该电源突破了常规硅器件最高结温175℃的限制，具有输出电压稳定、转换效率高和工作温度范围宽等特点。

4 总结

本文介绍了一种高温DC/DC 电源的设计，详述了电路拓扑结构设计、高温元器件研究、电路结构设计和高温工艺设计等，该电路具有最高工作温度高达185℃的优点可以应用于各种对工作温度要求高的场合。