淺析一種微型監(jiān)控電路

毛國華，姜耀升，畢作佳

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安710065）

本文介紹基于厚膜混合集成電路工藝制成的一種監(jiān)控電路，主要用于掃描系統(tǒng)中，起著交直流轉(zhuǎn)換器和信號發(fā)射、接收的作用。

1 技術(shù)指標

1．1 電特性

該產(chǎn)品使用條件為：－40℃≤Tc≤85℃；UCC＝220 V±10 V（另有規(guī)定除外）。產(chǎn)品主要的電特性指標見表1所示。

表1 主要電特性

1．2 外形尺寸

外形尺寸見圖1。

2 設(shè)計原理

圖1 外形尺寸

該產(chǎn)品在設(shè)計過程中與用戶進行了充分的溝通，在全面滿足用戶提出的性能指標的前提下，產(chǎn)品優(yōu)良的抗振能力、必要的降額設(shè)計及良好的熱設(shè)計思想貫穿于整個設(shè)計中，集中保證了軍用產(chǎn)品的高可靠性。

2．1 電路設(shè)計及工作原理

該監(jiān)控電路內(nèi)含兩路DC／DC電源、后級可控硅控制電路、隔離雙光耦驅(qū)動電路和兩組簡單數(shù)字電路。DC／DC電源部分，輸入端采用全橋整流的方法提供電壓，主電路采用LT1533組成的推挽式脈寬調(diào)制電路；一路獨立的回路控制完成了穩(wěn)壓功能；另一路沒有反饋回集成電路，而是通過一個三端穩(wěn)壓器完成了穩(wěn)壓功能，保證了輸出精度；其余電路均屬于為后級配套電路及部分外圍。具體線路見圖2。

圖2 電路原理圖

2．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性設(shè)計

產(chǎn)品采用引線鍍金，玻璃絕緣子隔離，厚度為1．5 mm的可伐鋼材料銑成的平行封焊外殼；內(nèi)部板與外殼采用雙股鍍銀絲線連接，并用灌封料將其剩余空隙填滿，使之與外殼成為一體，外殼使用平行封焊結(jié)構(gòu)，并在底部設(shè)有四個安裝固定孔，提高了產(chǎn)品的抗振性能設(shè)計；元器件采取必要的降額設(shè)計并在其進廠后進行嚴格的工藝篩選，表貼元件采用再流焊工藝，焊接內(nèi)部連線時操作工要帶防靜電手腕；由于電源內(nèi)部有一些集中發(fā)熱元件，將這些大功率發(fā)熱元件如振蕩管、整流管、變壓器、電感等貼裝于外殼底面上，利用傳導散熱將熱量散發(fā)出去，使產(chǎn)品正常工作時其內(nèi)部元件有一個合理的熱應力環(huán)境，提高產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。

根據(jù)可靠性預計理論計算，該產(chǎn)品平均故障間隔時間為5．86×104h。

3 技術(shù)難點、解決措施和關(guān)鍵工藝技術(shù)

3．1 技術(shù)難點及解決措施

3．1．1 電路模式與關(guān)鍵器件的選定

主電路選擇輸入電壓范圍寬（2．7 V～23 V）的LT1533脈寬調(diào)制器，組成了推挽形式核心電路。其內(nèi)部集成有功率管形成的推挽電路，可以直接驅(qū)動變壓器，節(jié)省了空間，易于布線。

（1）電阻：電阻采用厚膜印刷電阻，這樣，即使在相對苛刻的環(huán)境下電阻也能安全可靠地工作，確保不會失效。近年來，在厚膜印刷電阻方面取得了長足的進步，軍用電阻網(wǎng)絡(luò)已在用戶中取得了良好的信譽，其在125℃下，額定功率時工作6 000 h無失效，因此，厚膜電阻的高可靠性是完全可以信賴的。

（2）基片：電路承載基片選用AL2O3陶瓷基片。AL2O3陶瓷基片的熱傳導能力僅次于金屬，由于該電路的自身耗散功率不大，陶瓷基片的材質(zhì)和面積足以將電路自身所產(chǎn)生熱量從容擴散出去，大大減小了由于熱效應對產(chǎn)品產(chǎn)生的老化作用，從而延長產(chǎn)品的使用壽命，提高了可靠性。

3．1．2 關(guān)于SCLK和SDA空載波形

在產(chǎn)品測試過程中，發(fā)現(xiàn)SCLK和SDA在空載測試時，波形不是平滑的方波，而是由臺階逐個疊加成的波形。通過詳細的原理分析和試驗檢測確認監(jiān)控電路中環(huán)路系統(tǒng)不穩(wěn)定造成了該現(xiàn)象，給其加一個5 mA左右的假負載，使其構(gòu)成閉環(huán)，解決該問題。

3．1．3 關(guān)于輸出電壓波形晃動

在產(chǎn)品測試過程中，發(fā)現(xiàn)輸出電壓波形有時會晃動，分析主要有兩個原因引起，一是補償端電阻電容容量已出現(xiàn)較大的偏差，二是PGND接地電感容量偏大。

3．1．4 關(guān)于粘結(jié)工藝的改進

在半成品篩選過程中，發(fā)現(xiàn)基片裂片的問題，分析是由于PCB板和基片的張力相差過大引起的，所以將二者的粘結(jié)方式由高溫環(huán)氧改為一種合格的粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑具有很好的粘性和彈性，不受溫度變化的影響，經(jīng)多次篩選試驗，證明可以解決基片裂片的問題。

3．2 關(guān)鍵工藝技術(shù)

焊接件組裝為關(guān)鍵工藝技術(shù)，在產(chǎn)品裝配中，需將基片和PCB板粘結(jié)起來，由于二者之間的膨脹系數(shù)相差太大，在溫度突變時基片容易裂片，所以它們之間的組裝就成為產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝。最初采用常溫環(huán)氧進行粘接，后經(jīng)試驗證明粘結(jié)的強度不夠，如果給產(chǎn)品較大的離心力基片會掉下來；然后，換成了高溫環(huán)氧，這次的粘結(jié)強度雖然可以，但是在溫度突變時基片產(chǎn)生了裂片；后經(jīng)過大量的實驗驗證和理論計算，最終采用一種合格的粘結(jié)劑作為二者的粘結(jié)劑。同時用該粘結(jié)劑時要注意用酒精清洗，因為該粘結(jié)劑遇特定清洗劑粘結(jié)性會變差。

3．3 批產(chǎn)化問題

產(chǎn)品批量化生產(chǎn)基本要求：工序最少、調(diào)試最簡、采購方便。

在監(jiān)控電路生產(chǎn)中，由于元器件質(zhì)量及其參數(shù)的離散性，會有部分產(chǎn)品的部分技術(shù)指標產(chǎn)生差異，這就需要進行電路調(diào)試，主要是通過個別元件或電路參數(shù)的微調(diào)，校正產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，達到設(shè)計要求。電路調(diào)試技術(shù)要求較高，調(diào)試過程復雜，單個指標的調(diào)整，常常會影響到其它指標。因此，必須在設(shè)計時做精確計算，盡量避免過程調(diào)試，如果需要驗證，在小批量試流時予以解決。為了減少和簡化電路調(diào)試，生產(chǎn)中要嚴格按工藝操作，避免貼片、焊接各工序的人為錯誤。合理分布檢驗檢測點，消除低級錯誤。

另外，考慮到易于采購，對于設(shè)計過程中元件的選取采用了通用化、可替換代用的做法，不能通用、替換的元件固定生產(chǎn)廠家，保證質(zhì)量，以適應大批量生產(chǎn)采購的要求。

4 新品特點

（1）兩路DC／DC電源輸出電壓紋波小，具有很寬的電壓輸入范圍，能夠完全滿足后級配套電路要求。

（2）電路內(nèi)還集成了后級可控硅控制電路、隔離雙光耦驅(qū)動電路和兩組簡單數(shù)字電路。

（3）全金屬屏蔽封殼、接插件引出，整機調(diào)試使用方便。

（4）殼體帶有四個M3固定孔，方便產(chǎn)品的外加固。

5 質(zhì)量和可靠性設(shè)計情況

產(chǎn)品從元器件的選取，電阻漿料的選取，陶瓷基片的制備，生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，安裝方法的優(yōu)化，均作了精心的實驗和早期老化篩選，產(chǎn)品要求在軍標線生產(chǎn)和組裝，完全符合軍品的生產(chǎn)工藝流程。

為了保證產(chǎn)品的可靠性，具體在產(chǎn)品的抗振性能、防靜電、散熱、冗余設(shè)計等方面做了大量的工作。我們用灌封料將腔體內(nèi)剩余的空隙填滿，使線路板與外殼成為一體，外殼使用平行封焊結(jié)構(gòu)，并在底部設(shè)有四個安裝固定孔，提高了產(chǎn)品的抗振性能設(shè)計；元器件采取必要的降額設(shè)計并在其進廠后進行嚴格的工藝篩選，表貼元件采用再流焊工藝，焊接內(nèi)部連線時操作工要帶防靜電手腕；將大功率發(fā)熱元件如振蕩管、整流管、變壓器、電感等貼裝于外殼底面上，利用傳導散熱將熱量散發(fā)出去，使產(chǎn)品正常工作時其內(nèi)部元件有一個合理的熱應力環(huán)境等。

6 結(jié)束語

該產(chǎn)品輸出電壓紋波小，具有很寬的電壓輸入范圍，能夠完全滿足后級配套電路要求；全金屬屏蔽封殼、接插件引出，整機調(diào)試使用方便，可為用戶節(jié)約大量的調(diào)試時間，提高工作效率。該產(chǎn)品適合批量生產(chǎn)，用戶試用情況良好。該產(chǎn)品的研制成功具有良好的經(jīng)濟效益。

［1］ 方佩敏，張國華．最新集成電路應用指南［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［2］ 王錫吉．電子設(shè)備可靠性工程［M］．西安：陜西科學技術(shù)出版社，1992．

［3］ 童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：高等教育出版社，2006．

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