高可靠混合集成DC/DC变换器（5V/3A）的设计

1引言

随着武器系统的发展，电子设备趋向小型化，供电方式由集中供电向分布式供电发展，DC/DC变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性，是当今乃至今后高可靠DC/DC变换器的发展方向。

HB2805S15是输出电压5V电流3A的混合集成DC/DC变换器，采用厚膜工艺、磁隔离方式进行混合集成，封装形式与Interpoint公司的MHV系列相同。

2电路方案

2．1主要技术指标

HB2805S15的主要技术指标见表1。

表1主要技术指标

DC/DC拓扑类型主要有：降压型(Buck)、升压型(Boost)、反相型(Buck－Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零电压（ZVS）零电流（ZCS）型。中小功率的DC/DC电源变换器一般采用单端正激型和双端推挽型的拓扑结构。

单端正激型结构简单，元器件少，双端推挽型是将两个单端正激型合并，变压器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了单端正激的不利因素。

反馈隔离方式有光电隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器受温度的影响大，频带窄；脉冲变压器隔离的温度稳定性好，可靠性高，频带宽，是高可靠DC/DC电源变换器优先采用的方式。

本电路采用双端推挽变压器隔离反馈式，原理图如图1。

图1双端推挽变压器隔离反馈原理图

图2推挽式变换器电路及其相关波形

2．3电路工作原理

双端推挽DC/DC变换器的基本电路结构及其工作波形如图2所示。

开关管Q1，Q2在PWM控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节Q1，Q2的导通/截止时间，可改变输出电压。双端推挽DC/DC变换器的输出电压可表示为：VO=DVi(1)

式中：VO——输出电压，V；

Vi——输入电压，V；

D——整流管的占空比；

Np——变压器初级匝数，匝；

Ns——变压器次级匝数，匝。 [p]

3电路设计

3．1主要元器件

DC/DC变换器的主要元器件是脉宽调制器PWM、变压器、隔离反馈电路以及开关管和整流管。HB2805S15的PWM选用UC1825A，隔离放大器选用UC1901，变压器和电感选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

UC1825A是电压／电流型PWM控制器，输出峰值电流2A，开关频率可达到1MHz，误差放大器的单位增益带宽12MHz，具有逐个脉冲电流限制，软起动和最大占空比可设置，可用于双端推挽DC/DC变换器。

UC1901隔离放大器是一个脉冲幅度调制（AM）电路，它包括基准源、误差放大器、振荡器、乘法器，最高振荡频率5MHz。

PC40系列是TDK公司的产品，其导磁率高，高频损耗小。

3．2开关频率定时元件计算

开关频率高，元器件的开关损耗大，影响效率η；开关频率低不利于小型化，经过计算和实验，开关频率定为300kHz。UC1825A的定时元件电阻和电容由式（2）和（3）计算确定：RT=(2)CT=(3)

式中：RT——定时电阻，Ω；

CT——定时电容，F；

Dmax——最大占空比；

f——开关频率，Hz。

3．3元器件设计

（1）变压器的设计

变压器是DC/DC变换器的重要元件，主要技术参数是初次级匝数比(n=Np／Ns)和初次级的电感量（Lp，Ls）。变压器的初级匝数和次级匝数由下式得到：Np≥(4)Ns=(5)

式中：Vimax——最大输入电压，V；

Vimin——最小输入电压，V；

Bm——饱和磁通密度，T；

Ae——磁芯截面积，m2；

VF——整流管正向压降，V；

VO——输出电压，V。

（2）输出部分的设计

输出部分主要是输出电感L和输出电容C构成的LC低通网络，电感量和电容值由下式求得：L≥(6)

式中：ΔIL——电感脉动电流（一般取值ΔIL=(10％

～25％）IOmax），A；

Dmin——最小占空比。C≥（F）(7)

式中：ΔVOmax——输出最高纹波电压，V。

（3）开关管和整流管

开关管的最大电流IPmax由下式求得：IPmax=(IOmax＋)＋IM(8)

式中：IM——励磁电流，A；

IOmax——变压器最大输出电流，A；

开关管耐压VB：

VB≥2Vi(9)

整流管的最大峰值电流IFM：IFM≥IOmax＋(10)

整流管的反向截止电压VRR：VRR≥2即：VRR≥2Vimax(11)

本电路输出电压低电流大，选用肖特基整流管。

4可靠性设计

主要对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。

4．1功率元器件的降额设计

由3．3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值，按降额等级（Ⅰ级）选取元器件。

（1）磁性元件的设计

变压器和滤波电感是DC/DC变换器的主要发热源，承载着很大的功率，本电路选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。

PC40材料的主要参数：

导磁率μ=2300

居里温度Tc≥215℃

饱和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)

Bs=3900Gas(100℃)

电路设计中变压器磁通密度的实际取值是Bs=1600Gas，达到Ⅰ级降额标准。 [p]

（2）整流管

肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件，具有很好的开关特性，它的正向压降（VF）小，且随温度的升高而降低，可降低整流管导通损耗，有利于提高输出电压低时的电路效率。

本电路的输出电压5V，输出电流3A，因此选用肖特基10TQ045，它的最大电流（IFRM）10A，反向重复峰值电压（VRRM）45V，符合Ⅰ级降额标准。

（3）开关管

功率MOSFET具有开关速度快，损耗低，驱动电流小，无二次击穿现象，过载能力强，抗干扰能力强等优点，广泛地用于高频开关电源。

当输入电压为低压18V时，流过开关管的峰值电流取IP=3A；输入为最高电压36V时，源漏电压VDS=2×36＋V尖峰（V尖峰是由变压器漏感产生的）。

选用IRF630，最大漏极电流ID=9A，VDS耐压200V，符合Ⅰ级降额设计。

4．2版图的热设计

减小热阻，提高效率，电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(MOSFET)、变压器、整流管和电感等，设计上从三个方面采取了措施：

（1）在版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放；

（2）采用新工艺，减小热阻，开关管、整流管采用再流焊工艺，粗铝丝压焊，变压器、电感器和基片采用导热胶粘接；

（3）基片材料选用高导热率的基片，增加热传导。

5工艺技术

电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺，焊接区设计为钯银（PaAg）加厚。采用MQ10—10全金属缝焊平行封装，它的气密性好，封装时不产生金属异物，PIND通过率高于锡封焊，可靠性高。

版图设计时充分要考虑组装工艺，合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。

变压器和电感器是DC/DC变换器的重要元件，绕制时严格控制匝数和电感量，保证误差在一定的范围，满足电路的要求。

6研制结果

高可靠混合集成HB2805S15DC/DC变换器完成了研制，并进行了批量的生产，通过了质量一致性考核（例试）实验。电路的测试数据见表2，表3列出了电路实际达到的主要技术指标。

图3电路（满载）加电和（满载）断电时的动态响应

(a)加电（Vi=0→28VVO=5VIO=3A）

(b)断电（Vi=28V→0V）

图4电路的输出电压纹波噪声

表2HB2805S159911批测试数据

7结语

通过HB2805S15的研制，掌握了混合集成DC/DC变换器电路设计技术，相继研制开发5W系列、15W系列、30W系列、70W系列约15个品种的高可靠混合集成DC/DC电源变换器。