三路芯片化DC/DC 變換器的設計

靳寶軍，王浩全，張海俠，張 敏

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著電子產品的發展，人們對電源可靠性、容量/體積比以及技術性能要求越來越高。這種情況下，芯片化模塊電源越來越顯示出優越性。它體積小、可靠性高、工作溫度范圍寬，便于安裝組合，被廣泛采用。該產品只是芯片化電源的一種，工作原理與傳統模塊電源大同小異。本文在研制過程中遇到并解決了一些特殊難題，現對其進行總結，以供參考。

1 設計原理

配備該產品的總線電壓28.5 V，內部的儀表、電路需要的工作電壓為5 V、±15 V。該產品的作用是將28.5 V的總線電壓隔離轉換成5 V、±15 V的電壓供整機內部的儀表、電路使用。該產品采用光耦隔離反饋、單端正激模式，通過誤差反饋對輸出電壓進行穩定控制，通過濾波電路有效抑制輸出紋波。

具體地，研制目標如下：

（1）輸入電壓：28.5 V±3 V；

（2）輸出電壓：5.1 V；+15 V，-15 V；

（3）輸出電流：+5.1 V/5 A，+15 V/0.8 A，-15 V/0.2 A；

（4）輸出功率：40 W；

（5）輸入/輸出隔離：隔離；

（6）外形尺寸：64 mm×38 mm×10.5 mm。

2 電路設計

2.1 工作原理

電源線路基本相同，均采用單端正激模式。模塊電源由輸入濾波、啟動電路、脈寬調制器電路、保護電路、取樣反饋電路以及輸出濾波電路等組成，電路見圖1。

圖2 電路原理圖

工作原理，見圖2。變換器輸入端設計有一個π型濾波電路，以減小供電系統與變換器內部之間的相互干擾。濾波電路后是線性穩壓電路，主要為脈寬控制器提供穩定的工作電壓。由于脈寬控制器的輸入端內部設有一個13.5 V的穩壓管，供電電壓如果超過13.5 V，會損壞脈寬控制器，所以線性穩壓電路提供的電壓為10.5～11.5 V。脈寬控制器工作后，產生方波推動MOS管間斷導通，使DC/DC變換器初級主回路中產生間斷電流，通過變壓器隔離感應至次級，經過二極管整流，電感、電容濾波后經功率端輸出。輸出端設有取樣電路，取樣電壓設為5.1 V。當輸出電壓大于5.1 V時，三端可編程并聯穩壓二極管TL431A導通，輸出電壓超出5.1 V的大小與TL431A導通的電流成正比。輸出電壓小于5.1 V時，TL431A導通的電流為0 A。TL431A與產品中的光電耦合器是串聯關系，TL431A導通電流的變化通過光電耦合器以線性關系反饋到脈寬控制器，脈寬控制器通過反饋的信號對推動MOS管的方波脈寬進行對應調整，以增大或減小初級主回路中的電流流通時間，控制感應到次級的能量，起到次級輸出電壓穩定的作用。+15 V工作原理與5.1 V相同，-15 V采取跟隨+15 V的方式穩壓，變壓器與電感與+15 V并繞，空載進行電壓抑制。

2.2 結構設計

該產品在結構上采用標準12線腔體直插金屬全密封外殼，材料選用可伐合金（4J29），表面有鍍鎳層用于防鹽霧。產品采用引線鍍金，玻璃絕緣子隔離的平行縫焊外殼；內部板與外殼內引線采用雙股鍍銀銅絲焊接方式進行連接，外殼使用平行縫焊結構；元器件采取必要的降額設計，表貼元件即功率裸芯片采用再流焊工藝，使產品正常工作時其內部元件有一個合理的熱應力環境。

2.3 工藝設計

工藝采用厚膜混合集成裸芯片組裝工藝，金屬外殼，平行縫焊封裝。電路承載的基片選用Al2O3陶瓷基片。產品中集成電路等元器件均采用裸芯片。

3 關鍵問題的解決

3.1 電路濾波問題

初樣產品測試過程中發現紋波大的問題。經分析，輸出紋波基波值滿足要求，但諧波分量太多，存在影響整機誤計算的可能性。該產品內部為3路輸出，2組控制回路，其中1路控制+5 V，1路控制±15 V。將2路控制電路的工作頻率同步到一個點上，同時對版圖中的地線進行優化，從減少諧波分量的角度降低紋波，取得了較好效果。改進后的樣品進行用戶測試，答復紋波依舊存在使整機誤操作的可能性。后續在產品后端增加濾波電路，能夠進一步降低紋波數值，但降低幅度不大。經過相關試驗，增加濾波電路需對電路相關部位的參數進行對應調整，才能起到大幅降低紋波的效果。為了最大化降低紋波，全面優化影響產品紋波的因素，降低自身工作過程中振蕩脈沖諧波對外的輻射值，降低相互的干擾幅度，調整特殊點位的吸收量值，最終組裝出的產品紋波降低幅度達到60%的最佳效果。產品在外部不接電容且滿載條件下，采用帶地線環測試，紋波峰峰值小于30 mV；采用不帶地線環測試，紋波峰峰值小于8 mV。改進后生產的樣品得到了用戶好評，滿足了用戶需求。

3.2 批產化問題

產品批量化生產基本要求：工序最少，組裝最簡，采購方便。DC/DC電路生產中，由于元器件質量及其參數的離散性，會有部分產品的部分技術指標產生差異，需要前期設計時進行電路調試。具體地，主要是通過個別元件或電路參數的微調校正產品技術參數，從而達到設計要求。電路調試技術要求較高，調試過程復雜，單個指標的調整常常會影響其他指標。因此，必須在設計時做精確計算，避免過程調試。如果需要驗證，在小批量試流時予以解決。驗證后的產品，在生產時組裝的正確率即代表合格率，這樣才具備芯片化電源批產的要求。為了保證產品的組裝合格率，生產中要嚴格按照工藝要求操作，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。合理的設計保證組裝的正確率，組裝的正確率保證產品的合格率。只有保證產品的合格率，才能解決批產化問題。另外，考慮到易于采購，對設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廠家，保證質量，以適應于大批量生產采購的要求。

4 結 論

該產品經檢測和試用，各項技術性能指標滿足用戶使用要求，得到了用戶認可。目前，該產品已經開始批量運用，可推廣到其他領域。