高可靠DCDC变换器模块设计

1、高可靠dc/dc变换器模块设计忖前，在髙端电子设备领域，高等级的dc/dc电源模块主要还是依赖国外进ii，因此，尽快实现高质量等级dc/dc电源模块国产 化迫在眉睫。本文以-种质虽等级为h级的dc/dc电源模块的设计为例，从电路、工艺等方而详细介绍了 h级dc/dc电源模块的设 计思想。1模块主要指标该dc/dc电源模块是为幣机配套使用的。其要求的输入电压为20 -35v,输出电压为10-10.iv/10 -10.2 v( 55c+ 125cic). 55.1v/5一5.2 v(55c+ 125),负载凋整率和电压调整率均小于1%,输出纹波电压小于40 mv2电路设计2.1非平衡双路功率电压输

2、岀设计在dc/dc变换器设计中，对于两路输出功率不相等的模块來说，其设计主要有两种方法：一是采用变压器绕组，并利用耦合电感 和低压稳压电路进行二次稳压方法。二是采用变压器次级多绕组來分别输出两路相对独立的电压。其中方法一虽然可以捉高电路的稳定 度，保证输出电压的精度，但是会增加电路的损耗，因为二次稳压电路的输入和输出电压差越小，稳压电路功耗就越小，而该项目两路 输出功率相差很大(分別为55w和2.5 w).主路功率变化范围也较大。而若采用方法二，又由于反馈只能控制一路电压，所以只能育 一路输出电压的梢度得到保证，列一路电压只能靠变压器和遊波电感预稳，而主路输出功率变化较大又必然帯来辅路变压器次

3、级电压的 较大变化，冈而无法保证输出电压的精度。为此，本设计采用两路输出來分别独立地控制和反馈，这样既可以精确控制输出电压，乂可 以减小因二次稳压带来的损耗。2.2变压器的设计设计变压器时，应首先合理选择磁芯材料。磁芯材料需考虑的最主:耍因数是它在工作频率处的损耗和应用施通'密度。确定了模块工 作频率后.即可根据制逍商提供的手册确定材料的具体型号，然后查出模块在城恶劣使用环境条件下的磁通饱和密度，再由此确定使用战 大磁通密度，以保证变压器始终不会工作在饱和点，提高模块的可靠性。如果设定的工作频率为500 kh乙 通过手册可以查到：tdk公司的pc40, pc95系列以及siemens公

4、司的n67系列都可以满 足耍求。确定了具体的磁芯型号、形状和尺寸后，便可以査到该型号在125c时的磁通饱和密度bs,然后根折降额设计选杼最大磁通密 度为0.2bs,在确定bmax后，就可以根据下式计算岀变压签的原边匝数：式中，kf为波形系数(方波时为4),为开关频率(hz)； ae是磁芯有效面积(m2). bmax为磁通密度(t), vi为输入电压(v), np 为原边匝数。由原边匝数便可计算出变压器的副边匝数:式中，np为副边匝数，viln为原边般小输人电压。由于和变压器相关的损耗主耍有磴滞、涡流和电阻损耗。磁滞损耗与绕组的匝 数有关。它决定了每个工作周期磁场力所作的功。该损耗可以由下式给岀

5、：式中，kh瓦为材料的磁滞损耗常数，vc是磁芯体积，单位cm3, fsw为开关频率，单位为h乙bmax是最大工作磯通密度.单 位t。由(3)式所见，损耗与开关频率和工作磁通密度敲大值的二次方成正比。因此，在设计时，应在优选具有高导磁率、高频损耗小的磁 芯作变压器磁芯的前提下，还要合理设定bmax.并通过介理设讣匝数來减小变压器的磁滞损耗。23反馈补偿电路的设计众所周知，负反馈环是开关电源的核心部分，它保持输出电压的恒定主要是通过采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的 谋差，从而实现这一功能的由于实际应用中存在负载变化和输入电压变化，所以要求误差放大器对这些变化能有快速响应，并ri不会 因

6、此产生振荡而造成盛个系统的不稳定。设计误差放大器补偿电路应遵循以下原则：首先在所有增益大于odb的频率处，其闭环相位应不超过一360°.在丈际设计中，一 股选择小于300。：其次，闭环増益的穿越频率尽可能高，立流増益尽可能大，这样有利于提高系统的调节精度和瞬态响应：最后，闭环 増益曲线的斜率应以一20db/dec下降。由于不同电源采用的控制方式不同，相应的补偿方式也不同，本文采用电流型控制方式，采用的补偿方式为极点一零点补偿。共电 路如图1所示。这种补偿方法在血流处有一个极点，可通过捉高谋差放大器的开坏培益來改善输出调节性能。在輸出滤波器最低极点频 率或以下处引入一个饗点，可以补偿滤

7、波器极点引起的相位滞后。由于采用两路输出分别独立控制和反馈的电路比较复杂.组装密度较高，所以，引线之何、引线和元器件z间、引线与机壳z间的 干扰必然增大：另外，该电路工作在开关状态，各单元电路之间闵有脉动电流和噪声，因此容易通过电源内阻.引线等公共阻抗形成耦 合噪声。设计时首先可在电路中増设濾波坏节來抑制耦合噪声，另外可在导线布局上尽量减小公共阻抗，合理设買接地点，并减小电源内阻 來降低噪声，同时可将信号线与噪声源及流过脉动电流的引线分离，以减弱耦合噪声。其次应住设计中尽可能降低噪简的产生。开关二极管反向恢复时间里引起的短路尖邮电流是造成模块噪声的主要原因。该设计时可 采用反向恢复时间较快的肖

8、特基二极管，并根据具体输出悄况合理选型，适当降额设计也可较好的抑制噪声。对于髙频变压器工作时产 生的噪声，可在模块设计中采用去耦和屏蔽的方法來降低干扰。该模块的输出纹波峰峰值小于40 mv.3产阳的可靠性设计由于要求该产品的质量等级为h级，因此，产品不仅耍通过慕定qci检验，还要通过qml检验。试验条件按gjb548a-96和gjb2438a-2002 要求进行。由于耍求产品在全温范惘(一55£+ 1259)内长期可鼎地工作，所以，无论从电路设计还是工艺结构匕，都要考虑到可靠性设计。3.1可靠性优化设计首先，从设计上考虑，电路结构耍尽虽简化，既耍实现电路性能，乂要简化元器件的阳种与数

9、虽，减小囲元器件的失效遗成可靠性 的降低。其次，初步设计完成后还耍采用可幕性综合分析软件进行分析和验证，发现不足之处，再进行改进和捉高。垠后合理设计各项 参数，使产品工作在最佳状态。3.2降额设计元器件的电应力包括电流应力及电压应力。元器件的降额设计能有效提高产品的可靠性。降额系数一般为0.5-0.8倍。如输入电压 为1 640v,采用的输入电容器的额定电压为50v, h应具冇2.5倍的耐压能力；輸出电压为5v,采用的療流二极管反向耐压为45 v； 输出电压为10 v,所选用的整流二极管的反向耐压为100 v等。3.3热设计由于dc/dc变换器为功率模块，产品乂要在125”c下长期可靠工作，因

10、此，热设计至关垂要。设汁时可采用热分析软件及红外热 像仪进行分析、设计、改进"其具体技术措就如下：(1) 输入/输出滤波冋路可采用可靠性较高的片状独石电容器來収代传统的袒电容，以避免袒电容在高温下失效；(2) 尽量捉高产胡的效率。可选用低功耗的元器件，变压器的合理化设计可有效减小产品的内部功耗，同时减少产品的温升。产品在小型 化设计时，在布局上，热源要均匀分布(如vmos管、整流管等热源)，以避免热虽集中于产品的菜一局部：(3) 热源与基片、基片与外壳间要充分地接触.可采用载流焊方式.而不要采用粘接方式.这样可减少热阻避免产品的热积累：3.4工艺上的可靠性设计为了满足产品各种应力试验

11、的要求，可通过以f儿方而來进行工艺设计：(1) 工艺上叮釆用疗膜多层布线工艺，布线层数任三层以匕，线宽与线间距可在200pm，电路中的电阻一般应选用膜层电阻，并采用激 光修调技术使阻值达到电路设计耍求。(2) 由于该产品是高壳温(125'c)产品，水汽含虽的控制是一个难点。通过对相关设备的改造和工艺研尤，以及对真穿烘烤工艺参数进行 的反复实验，可以得到合适的数据，以有效地控制封口时的气欽，使水气含虽小于5000 pm：氧含杲小于2000 pm,从而确保产品长 期使用的可幕性。(3) 在dc/dc变换器的内部结构中，基板与外壳、慕板与元器件z间均存在一定的温度应力。为了满足产品的h级要求

12、，需对应力集中 点和抗机械强度进行分析。通过基板表而金属化设计和对基板表而膜层厚度进行控制，基板与底座之间可以満足上述应力条件。通过对 相关元器件的合理选型以及对体积较大器件采用合理的焊接工艺，也可有效地解决元件与棊板z间的粘接强度问题。在dc/dc变换器 的内部结构中，体积最大.亜虽最重的元器件就是变压器和电感，由于其磁性材料脆性大.易碎，它与a12o3基板之间的热膨胀系数 相差也较大，因此，在设计上，内部结构可采用基板对称分布，来把变压器和电感直接粘接在底座上。这样一来可避免温度应力带来的 开裂：二来可缩小基片而积，从而避免在基板局部形成不平衡的瑕力点而导致基板在机械冲击中幵裂：三来也对变压器的散热有好处。(4) 通过选用合适的导电胶和环氧胶,以便对匚艺参数、操作程序和各种胶与粘接元件z间的匹配特性进行研究和优化，也可以达到高可 靠粘接的h的：例如针对变压器来说.选用一种合适的粘接胶來粘接变压器，不仅会有一定的抗拉强度，还具备一定的韧性，其温度特 性与磁罐材料相匹配也能确保磁罐在温度循环中不开裂。(5) 优化焊接和键合技术。应对不同型号的焊音，炸锡丝的组成成分、强度特性和温度系数进行对比和分析