H28X型DC/DC變換器的研制

郭 青，武朝偉，張蕊婷

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著電力電子技術的快速發展，開關電源被廣泛應用在計算機、通信、工業加工及航空航天等領域。它具有耗能低、重量輕和使用方便等特點。電子產品對電源技術性能、容量體積比和可靠性要求愈來愈高，管芯化模塊電源愈來愈顯示出其優越的性能。它可靠性高、體積較小、工作溫度范圍較寬，便于組合安裝，故被廣泛使用。H28X型DC/DC變換器典型輸入電壓28 V，輸出電壓12 V，輸出最大電流4.2 A，研制過程中解決了電源效率、輸入紋波電流濾波和短路電流的技術難題。

1 設計

1.1 設計依據

該DC/DC變換器電路按照GJB2438A標準進行設計、研制。

1.2 設計方案及電路原理

設計方案采用光電隔離，單端正激模式，簡單易做，能夠滿足各方面要求。

基于各個方面的綜合考慮，最終確定了電路原理圖，如圖1所示[1]。

其中，IC1為UCC1800，IC2為GH402K，IC4為TL431，Q1為IRF540，D5、D6采用肖特基整流二極管20CTQ100，變壓器、電感采用RM6和RM5磁罐。

2 研制過程

2.1 電路參數的選取

圖1 電路原理圖

根據以上確定方案，對電特性參數進行選取、定位，主要依據的是理論計算數據和實際摸底試驗數據。本電路核心器件IC1為高性能低功耗，電流模式PWM控制器。

IC1的特點如下：典型起始電流小，為100 μA；最高工作頻率為1 MHz；振蕩頻率準確；窄脈沖干擾抑制；大電流騰柱式輸出；高帶寬誤差放大器；低電壓輸出限制；出錯時內置快速鎖定；輸入到輸出70 μs快速反應時間；內置軟啟動。

H28X型DC/DC變換器最終采用電流型PWM控制器UCC1800（TI公司生產）。該PWM控制器具有高速率和低損耗的特點。UCC1800內部集成了固定頻率電流模式控制的離線式與DC/DC變化器所需的控制和驅動電路，主要用于電流型單端DC/DC變換器的控制。它的內部采用全周期軟啟動及前沿電壓尖峰消隱技術，精度較高，電壓穩定性好，外圍電路比較簡單。相比電壓型PWM，電流型PWM擁有更好的電源、負載調整度，使系統具有更高的穩定性和動態特性[2]。

UCC1800的參數為：工作電壓為7.2～13.5 V；最大工作頻率1 MHz；工作最大占空比為100%；具有內部軟啟動、欠壓鎖定功能；輸出電流最大1 A；工作溫度-55～+125 ℃。

1腳補償：這個管腳是誤差放大器輸出端，用于回路補償，信號直接輸入，內部集成了軟啟動電路。

2腳電壓反饋：這是誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的帶寬約為2 MHz。

3腳電流檢測：與電感電流成正比的電壓，被連接到該輸入端。PWM使用這個電流數據決定輸出開關是否導通。

4腳RT/CT：頻率端，振蕩頻率和最大輸出占空比與Vref相連的電阻RT和與地相連的電容器CT控制，可達到500 kHz。

5腳：接地端。

6腳輸出：輸出端直接驅動功率場效應管的柵極，由該腳變換的峰值電流可得1.0 A。

7腳Vcc：這個管腳是集成電路的正電源。因采用CMOS結構，輸入電壓最高被限制在13.5 V，啟動電壓為7.3 V，關閉電壓為7 V。

8腳Vref：這是基準電壓輸出端，它經電阻RT為電容器CT提供充電電流。

在選擇光電耦合器的過程中，需要注意：選擇具有較快的上升響應速度、較強的抗干擾性、較高可靠性的耦合器。本文研究的光電耦合器結構類型屬于微型陶瓷，適用于表面貼裝技術。

選擇電壓控制器的過程中，需要注意：電壓的最大值為35 V，最小值為3 V，參考電壓受溫度的影響較小，對電流的驅動作用較強，阻抗較小，能夠在全溫度的基礎上適用，且溫度系數不超過50 ppm/℃，輸出時產生的噪聲較小。

MOSFET/IRF540的特點：工作電壓高，為100 V；工作電流大，為33 A；導通電阻小，即RON=0.044 Ω。

肖特基整流二極管20CTQ100的特點：反向工作電壓高，為100 V；工作電流大，為20 A；正向導通電壓降阻小。

磁性材料選擇的是輸出功率大的RM6和RM5磁罐，因為罐型磁材具有較好的屏蔽性。

基片選取96%三氧化二鋁陶瓷基片。

陶瓷電容選取X廠生產的，片鉭電容器選取X廠生產的。

2.2 工藝參數的確定

電阻印刷、金絲球焊和高溫烘焙為關鍵工藝點，激光調阻、成膜測試為質控點，因為激光調阻要求關鍵電阻精度為±0.5%，金絲球焊直接關系到產品的可靠性，高溫烘焙直接影響電路的內部水汽含量，因此，要求嚴格的工藝控制。成膜測試和成品檢測關系到產品的技術指標和產品質量是否合格是質量控制的關鍵，所以在此處設置質控點。

3 技術指標、技術難點及解決措施

3.1 技術指標

（1）外形尺寸：70 mm×35 mm×11 mm；（2）工作溫度范圍：-55～+125 ℃；（3）輸入電壓：28 V±0.5 V；（4） 輸 出：+12 V±0.25 V/4.2 A；（5） 紋波：Vpp≤50 mV；（6）電壓調整率：≤1%；（7）負載調整率：≤1%；（8）效率：Vη≥80%

該產品需解決的技術問題如下：（1）線路之間的相互干擾問題；（2）產品布局熱設計問題；（3）產品的小型化；（4）產品的自保護電路設計問題；（5）電磁兼容問題；（6）振動問題；（7）產品重量減輕的問題；（8）產品的高可靠性設計問題[3]。

3.2 技術難點及解決措施

3.2.1 電源功率和效率問題

該產品輸出功率大，組裝密度高，如果效率不能達標，產品的可靠性和實用性將無法保證，這是最大的問題。

為了提高電源效率，進行了以下攻關。首先，合理選用磁材。在殼體空間允許的情況下，變壓器盡可能選取高頻、大功率磁材，形狀要符合殼體空間特點。其次，優化控制環路的參數。利用網絡分析系統，結合大量實際試驗，優化電路控制環路參數。選取大電流、低導通電壓的肖特基二極管，減小正向的導通損耗；選取合適的MOS管，減小功率器件的損耗。既要發揮功率驅動管的最佳運行狀態，又要進行尖峰抑制，消除欠驅動和過驅動。

通過大量反復試驗，最終功率問題、大范圍溫度適應問題以及諸多芯片化工藝問題，徹底擺脫了項目研制困境。

3.2.2 輸入紋波電流的濾波問題

由于功率大且密度高，產品的輸入反射紋波都比較大。根據用戶實際需要，要求在有效抑制輸入紋波電流的同時，不能影響產品工作的穩定性和可靠性，還不能影響產品輸出功率和自身功耗，這是研制輸入濾波器的一個難點。

對應措施：在電源的輸入端設計專用輸入濾波器。

經過多次論證和數次實驗，最終使該濾波器達到了以下要求：

（1）具有足夠大的紋波抑制比，大幅降低了輸入紋波電流；

（2）具有足夠寬的頻率范圍，抑制了電源本振及其各次諧波頻率的紋波；

（3）低差損特性，不影響產品自身功耗；

（4）大電流，必須滿足電源的最大輸入電流的2～4倍。

3.2.3 保護電路的問題

變換器過流保護電路設計為限流、截流結合型。設置比較電壓工作點、取樣分壓電阻與電流互感器，屬于重點內容。

電流互感器的主要功能是使功率管中的電流向電壓信號轉變。在整流濾波的作用下，輸入IC1的3腳和比較器的1腳，以此調整脈沖的寬度。在大于標準功率的情況下，實現對電源的保護。另外，應注意，由于電流互感器最初的匝數較少，因此內阻數值較小。

調制器IC1的3腳電壓最小值為0.7 V，最大值為1 V，若電流中的取樣電壓具有較大的數值波動，將會直接影響脈寬調制器。因此，取樣完畢后，電壓應經過整流濾波處理，將其分壓后再設IC1的3腳電壓工作點，從而通過上述兩點對電路實施過流保護。IC1的8腳屬于5 V基準電源，在分壓電阻的處理下，將有效降低電壓值，為3腳工作提供便利。當電源負載較小時，3腳電壓數值可以設置到0.5 V左右；當電源負載較大時，取樣分壓電壓將提升3腳電壓，以達到保護點，對電路進行保護。

4 產品的特點和創新點

產品具有體積小、絕緣度高、重量輕和可靠性高等特點。獨特的輸入濾波器設計是該電源的創新點。該電路采用先進的厚膜混合集成電路工藝，質量性能穩定，電路成熟可靠，線路和結構設計科學合理，具有國內先進水平[4]。

5 產品應用情況

該產品具有體積小、重量輕、輸出功率大、輸入電流紋波、輸出電壓紋波小、可靠性高、全金屬屏蔽封殼和整機調試使用方便等特點，且可以批量生產，用戶試用情況良好。同時，該產品具有通用性，具有廣闊的應用前景。設計方案采用光電隔離，單端正激模式，簡單易做，能夠滿足各方面要求。熱設計方面，在提高產品散熱效率的前提下，通過版圖優化設計，增強功率管的直接熱傳導能力，擴大產品的有效散熱面積，均勻分布功率發熱元器件。同時，要考慮元器件發熱對產品帶來的老化作用，從而保證產品的可靠性和使用壽命。

6 結 語

混合集成電路H28X型DC/DC變換器經用戶試用，各項技術性能指標已達到并滿足使用要求；制造工藝穩定、具有可重復性和批量生產能力；所需原材料、配套件等，有穩定可靠的供貨來源。該電路采用先進的厚膜混合集成電路工藝，質量性能穩定，電路成熟可靠，線路和結構設計科學合理，達到了國內先進水平。

[1] Abraham I P.開關電源設計[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2] 謝沅清.模擬集成電路應用[M].北京：人民郵電出版社，1984.

[3] 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社出版地，1980.

[4] 方佩敏，張國華.最新集成電路應用[M].北京：電子工業出版社，2011.