一種星用SIP 角編碼電路的設計與實現

潘美珍，余桂周，高群

（中國電子科技集團公司第43 研究所，安徽合肥 230022）

星用角編碼電路的功能是解算可移動天線兩個軸向上的角度位置，并將其轉換成并行數字信號輸出，實現對天線實際角度的高速、實時采集，從而完成天線對目標的定位、捕獲及精確跟蹤。因此，角編碼電路是衛星天線控制系統的核心部件[1-2]。

從當前衛星（航天器）的發展趨勢來看，其對天線的要求朝著高頻段、多樣化、高性能、可移動（可跟蹤）等方向發展，因此對天線控制器也提出了許多新的需求，其中對產品的集成度、輕型化要求越來越高。文中采用一種一體化封裝的角編碼電路SIP（System-In-Package，系統級封裝）實現方案，高度集成了角編碼電路，這必然會推動天線控制器的高集成度發展，縮小與國外產品的差距[3]。

1 角編碼電路構成與基本原理

衛星天線控制系統中的角編碼電路由一路激磁源電路和雙路雙速軸角轉換器電路組成。為提高集成度和通用性，設計的這種一體化封裝的SIP 角編碼電路[4-7]系統組成框圖如圖1 所示，該電路包括雙路雙速軸角轉換器電路及激磁電源電路，激磁電源電路為雙速軸角轉換器以及角度傳感器多級旋轉變壓器提供精確的正弦參考信號[8-10]，雙路雙速軸角轉換器可同時實現雙路雙速旋轉變壓器角位置模擬信號到數字信號的轉換，通過控制信號分時輸出各路角度編碼，實現高精度數字轉換[11-12]。其基本原理為：激磁電源電路為該角編碼電路和多極旋轉變壓器提供幅值和頻率可調的激磁電壓。外部兩路多極旋轉變壓器分別產生的粗、精機角位置信號經信號調理電路后輸入雙速軸角轉換電路，再經過雙速軸角轉換電路，采用糾錯原理組合實現內部的模擬到數字的角位置轉換，進入下一級電平轉換電路。雙路雙速軸角轉換電路單獨工作，輸出數字信號并行接入電平轉換電路，且兩路復用，通過外部使能和禁止功能控制單通道數字輸出。

2 設計與實現

2.1 設 計

1）激磁電源電路設計

激磁電源電路拓撲如圖2 所示。

圖2 激磁電源電路拓撲

正弦波產生電路通過二階有源濾波得到基波一次正弦波。為了穩定輸出幅值、頻率，采用移相電路對正弦信號進行反饋并閉環。正弦波產生電路的頻率由移相部分的截止頻率確定，其幅值由運放的輸入電阻和反饋電阻共同確定，功率放大電路采用典型推挽電路。

由電路穩幅條件可知：

其中，R1=R2、C1=C2為移相90°電路和二階有源濾波的參數值。

壓擺率為：

設計中為了考慮通用性，頻率設計為最大10 kHz，應有運放壓擺率SR≥2·2π·10k·14 ≈1.75 V/μs，增益帶寬積GBW≥1 MHz，增益帶寬積選用芯片壓擺率如表1 所示。

表1 運放參數

2）雙速軸角轉換器電路設計

該設計是由雙路雙速軸角轉換器組成的，其中兩套單速軸角轉換器、同步糾錯邏輯電路組成一個完整的雙速軸角轉換器。

該雙速軸角轉換器以—種高可靠、通用型的旋轉變壓器/數字轉換器單片集成電路芯片作為核心，具有分辨率高、速度電壓可編程、雙重帶寬、精度高、功耗低及體積小等優點[13-14]，同時采用簡單的邏輯元件實現數據組合與數據糾錯功能。將精通道高2位和粗通道高5 位分別送到同步糾錯邏輯電路，完成模糊誤差的判斷與糾錯。同步糾錯邏輯電路的3位輸出與精通道的13 位輸出組合即完成了16 位雙速模擬-數字角的轉換，并通過三態鎖存器緩沖輸出數字角。

從圖3 可以看出，粗、精通道轉換器的工作原理是相同的，根據粗、精通道數據組合糾錯原理[15-16]和實際產品指標要求，需要對粗、精通道轉換器分別進行設計，主要差別在于：1）分辨率；2）閉環參數（如跟蹤速率、帶寬等）。

圖3 基于核心芯片的粗、精通道轉換器原理圖

3）結構設計

總體架構為雙面三腔體設計結構，殼體采用ALN 陶瓷金屬一體化雙腔體封裝管殼。ALN 陶瓷金屬一體化雙腔體封裝管殼底座正反兩面布線組裝，密封在獨立腔體內，正反面通過通孔技術實現互連。底座正反表面需組裝約110 個元器件，組裝工藝包含焊接工藝、粘接工藝、鍵合工藝等。具體結構圖如圖4 所示。

圖4 結構圖

2.2 實現方法

1）雙路雙速軸角轉換器電路及激磁電源電路系統高可靠集成實現方法

該設計實現一體化，內部包含雙路軸角雙速轉換器和一路功率輸出的激磁電源，且包含內部信號電平轉換、電壓轉換、輸入輸出接口控制等功能，產品尺寸要求小于45 mm×37 mm×10 mm，內部電路功能復雜，集成度高，所以設計需要重點考慮器件的集成型選擇、抗干擾設計、邏輯時序匹配設計等，完成小體積、多功能的設計目標。

①為了在規定封裝尺寸內完成整個電路系統的設計，在器件選用和設計上，首先將旋變解碼電路和激磁電源部分的外圍電阻全部設計成集成度高、精度高的薄膜電阻網絡，單個薄膜電阻網絡最高集成10個阻值電阻；再將雙路雙速軸角轉換器硬件糾錯電路部分功能電路進行復用設計，減少內部元器件數量。

②由于電路有兩個通道雙速軸角轉換器，且單通道雙速軸角轉換器電路內部是兩路單速軸角轉換器電路，為了減少輸出引腳數量，設計雙路雙速軸角轉換數字輸出引腳復用，設計外部使能和禁止控制端來控制內部各解算電路正常工作及實現分時數字輸出功能。根據雙速解碼電路特點，設計了整個產品的邏輯時序，如圖5 所示。

圖5 控制邏輯時序圖

2）AlN 陶瓷金屬一體化封裝高可靠結構設計和制造實現方法

SIP 角編碼電路依托多層AlN 陶瓷一體化外殼設計，以AlN 陶瓷作為基體[17]，雙面三腔，雙腔一面采用金錫焊封蓋，并作為安裝和散熱基面，單腔一側采用金屬環框與陶瓷焊接形成封裝腔體，為內部電路提供保護和支撐，金屬底板和環框與陶瓷采用AgCu共晶高溫釬焊，為后續組裝提供了較大的溫度階梯空間，但是AlN 陶瓷與金屬膨脹系數差異大，焊接空間小，引線密度高，焊接溫度高，要形成可靠密封的AlN 陶瓷金屬一體化外殼，對外殼結構設計和制造提出了較高的要求。

為使產品滿足宇航YB 級或H 級的質量要求，在陶瓷一體化封裝體設計時需重點考慮材料選型、外殼結構、外殼散熱、外殼密封、引線焊接等問題。

3）空間一體化產品環境熱設計與熱管理實現方法

SIP 角編碼電路由于體積小、集成度高，且內部含部分功率電路，不合理的熱設計將會誘發一系列的問題：①出現局部過熱，引起晶片結區的燒毀；②溫度分布不均，差異過大，影響信號的傳輸特性；③材料熱膨脹系數不匹配引起熱應力，產生翹曲、裂紋，甚至導致失效和破壞等。

在空間應用環境中，散熱路徑主要是熱傳導。為避免溫度分布不均產生局部過熱，引起熱失效，采取以下措施：

①在芯片布局時，對于功率管等功率密度較高的功率耗散器件，在版圖布局中將激磁電源的推挽電路中的驅動三極管擺放在基板的對角位置，減少熱積累；

②在外殼設計中，AlN 基板底板焊接環框，環框在安裝過程中直接緊貼用戶的散熱面，使基板產生的熱量迅速傳導至外部熱沉。

首先以激磁電源電路中的驅動三極管芯片為例計算其散熱路徑的合理性，進行了器件的熱阻計算分析：

邊界條件：①結溫：TJC=85 ℃（150 ℃-65 ℃）（I 級降額）；②功率I 級降額；③熱沉基準溫度為45 ℃。此時，熱源界面至熱沉間熱阻計算如表2 所示。

表2 驅動功率管芯片熱阻計算

分析表明，當45 ℃+P×2.55 ℃/W≤85 ℃，即P＜15 W 時，器件結溫、功率均滿足I 級降額要求，可以正常工作。

再對整個器件進行熱仿真具體分析如下：

建立熱仿真模型，其中散熱器大小為45 mm×37 mm×0.5 mm，材質銅，芯片建模依據實際設計建模。仿真條件：根據設計需求，在自然環境下長期工作，具體工況分別在TA=25 ℃、TB=60 ℃和TC=125 ℃3種情況下進行熱仿真分析，具體結果如圖6 所示。

圖6 3種情況下的熱仿真結果

根據結果可知，產品在使用過程中，在殼溫恒溫125 ℃時，最大溫升約為9 ℃，內部最高溫度為128 ℃。芯片內部安全使用的結溫為150 ℃，因此在3種情況下，芯片可安全工作。

3 主要性能指標及先進性

采用此方案研制的SIP 角編碼電路，將給航天角度位置檢測系統用戶提供更加先進可靠、小型化、系列化的解決方案。SIP 角編碼電路可實現雙面混合集成電路設計，實際效果如圖7 所示。

圖7 SIP角編碼電路產品

1）具有高集成度：將原先混合集成小型化產品方案，改成SIP 方案，體積和重量相當于原先的1/3。

2）通用性：將天線控制模塊按照功能分割，整個角編碼電路集成在一體化封裝內，可在其他衛星上實現通用化替代使用。

4 結束語

按照空間應用電子元器件技術質量要求，項目組充分發揮中國電子科技集團公司第43 研究所在電路集成設計、一體化結構工藝和封裝的綜合技術優勢，研制出該型號SIP 角編碼電路，為滿足未來空間應用要求提供了新一代的軸角測控平臺產品，可以大幅度減小角編碼電路體積和重量。