杨三成  陕西华经微电子公司

   摘要：本文详细介绍了用于航天系统的H2815D6 WG小型低纹波DC—DC电源的设计方案。电路选择、工艺布局、技术难点的解决和特点以及外形结构和使用方法。

   叙词：低纹波  低的交叉调整率  直流变换  脉宽调制  有源滤波　

1．引言

    在航天系统中，基本上采用分立式供电，所需模块电源多，因此要求元器件体积小、重量轻，该型号工程中要求输入纹波≤50mV，输出纹波≤10mV，同时交叉调整率≤O.5％。目前国际上先进的DC-DC模块电源要加上前，后级滤波器才能达到对纹波的要求，交叉调整率仍在3％，没有更好的办法解决。为此，要求研制小型低纹波电源，以满足该型号工程的需求。我们采用混合集成电路进行设计，使电路既能小型化，又能达到高可靠性。在结构方面，采用平行缝焊工艺，使电路既美观，密封性能又好，全面向先进的DC-DC变换器发展。

2．工作模式、元器件的确定及试验

2．1主要技术指标

    主要技术指标见表l。

2．2 电路模式的确定

    DC-DC拓扑类型比较多，如降压型(Buck)、升压型(Boost)、反相型(Buck-Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)、零电压(ZVS)、零电流(ZCS)型等，该电路为中小功率的DC-DC电源变换器，要求结构小，采用单端正激型较合适，因为它的结构简单，元器件少，但它的缺点是无法将双路输出纹波降到10mV以内，因此，本电路采用双端推挽型的拓扑结构(见图1)，它是将两个双端正激合并，变压器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高磁芯利用率，消除了单端正激的不利因素，有利于降低纹波；同时，为节约空间，仅使用一个脉宽控制芯片，而每一路使用一组有源滤波取样放大电路，它是由取样电阻对输出电压取样，然后与基准稳压二极管比较，通过比较器控制VDMOS管导通角的大小，达到两路输出相对独立稳压，相互干扰小，这样，交叉调整率可以达到要求，纹波也较小。从图中看出，该电路中未使用隔离反馈电路，它主要是利用脉宽调制器的基准，通过分压电阻调整辅助电源的大小，而辅助电源的线圈是与变压器紧紧耦合在一起的，这样可以间接控制变压器，使电路在带载时A1、A2点的电压在土(15．IV～15．2V)，确保输出电压满足土(15土0.3)V，输入端的

纹波通过加一个滤波电路实现。

2．3元器件的确定

    电路模式初步确定后，必须要进行试验验证，产品的结构尺寸已定为37.08X28.07X8.38，其内部基片有效面积为34X25，壳体内部高度仅6．3mm，因此，变压器只能用φ0905的磁罐，选定为PDK的PC50磁材，为节约空间．电感只能用GS43的表贴电感，半导体元件全部采用管芯芯片，脉宽调制器用UCl525，电路最大输出功率6W，所以，开关管采用IRFCl20，整流管采用SC060H100，既能满足电压、电流的要求，同时，尺寸较小，可以满足平面排版的要求；基准稳压二极管选用温度补偿型2DW232，在温度变化时电源输出电压变化较小，其他半导体器件尽可能选面积小、功耗低的．电路中的电容全部用陶瓷电容，可以提高产品的可靠性。

2．4电路工作原理

    电源接通后，启动电路先给PWM控制器供电，PWM的两个输出端输出宽脉冲．控制两个开关管交替导通，将变压器的初级电流和电压传递到次级，经整流滤波及有源滤波稳压控制后，输出直流电压，辅助稳压电路通过与变压器耦合，反馈到PWM，调节两个开关管的导通截止时间，使输出电压达到稳压。

2．5电路工作频率设定

    变压器磁材选用PC50，它的适用频率高，高频损耗小，而频率高时，有利于提高效率和产品的小型化。经过计算和实验，确定开关频率为440klHz，UCl525的定时元件电阻和电容确定为：RT=13Kω，CT=1000pF。
{nextpage}

2．6滤波及交叉稳压电路设计

    输人滤波电路采用常用的无源器件组成?见图2 。电感采用4.7μH片式电感，电容分别为0.1μF、4．7μF、1μF的片式陶瓷电容，体积都很小，滤波效果明显。

    输出滤波稳压电路如图3．电感采用270μH片式电容，电容为22μF的片式陶瓷电容，稳压管Z是2DW232，稳压值是6．2V，比较器采用LM741.J型，场效应管用的是3DJ6，VDMOS管用的是P沟的，在负路中用的是N沟的。因为正、负路分别用了类似的电路，所以正、负路的输出电压分别稳压，相互之间影响极小，既达到了降低纹波的作用，同时又使电路的交叉调整率、电压调整率、负载调整率较小。

3．可靠性设计

    电路中的可靠性与电路中功率元器件的选用、热设计、组装工艺最为关键。下面从三个方面进行描述。

3．1功率元器件的选用

    功率元件一定要进行降额设计，即功率元件的主要参数不但要满足电路中的最大电压、最大电流及最小功耗、最小尺寸的要求，还要留足裕量，国外的一些先进DC-DC生产厂家，一般留20％～30％的裕量。国内因为工艺技术相对较差，所以一般留30％～50％的裕量。该电路是小功率电路，所选功率元件已足够，裕量较大。

3．2热设计

    该DC-DC变换器中变压器、开关管、整流二极管是主要发热源，减小热阻，电路的可靠性才能提高，设计上从三个方面采取措施：

    (1)版图上合理分布热源，将以上元器件分开摆放；

    (2)开关管、整流管采用低共熔焊工艺，接触电阻小，热阻小，粗铝丝压焊；变压器和基片采用导热胶粘接，将热量快速传递给陶瓷基片；

    (3)陶瓷基片与金属底座之间也用导热胶粘接，将热量快速传递到金属底座上，并散发出去。

3．3组装工艺可靠性

    组装工艺可靠性主要从三个方面考虑：

    (1)生产流畅，易于操作。该产品平面面积小，元件较多，排列密度大，因此，一定要均匀分布，变压器靠近壳体边缘，便于铝丝和金丝球焊键合；  ·

    (2)焊接、粘接牢固，抗振动，抗冲击。所有片式电容采用再流焊工艺，增加牢固性；基片与引出脚之间不能直接用锡连，而是用镀银丝连接，避免对基片产生过大的拉力；变压器引出线焊点尽量设计在变压器周围，使引出线尽量短，避免振动、冲击时引出线损伤折断；

    (3)平行缝焊封装：该电源为管芯化产品，封装时要求在125℃的鼓风干燥箱中保存12小时，然后在高纯氮的环境气氛中封装，确保产品的水汽含量、氧气含量达标，密封性能合格。
{nextpage}

4．典型应用

4．1研制结果

    该产品经过15个月的研制和试制，并在做了30块的小批量生产，下面是统计的典型性能参数，从这些参数看(见表2)，纹波和调整率指标优于要求值，该产品的研制是成功的。

4．2典型应用对比

图4是一般电源的典型应用线路．图5是电源H2815D6WG的典型应用线路，从这两个图中明显可见一般电源需要三个模块(电源十2个滤波器)才能完成低纹波功能，而我们的电源自身就可以完成；体积、重量方面只有它的三分之一；价格方面，仅为该电源价格的三分之二。

5．结语

     H2815D6WG的原理采用的是常用DC-DC开关电源理论，并无过人之处，只是将各电源名家的精华集中组合起来，注重小的结构尺寸，优良的输入输出低纹波，小的电压、电流、交叉调整率特性，为用户的整体设计着想，节约了空间，减轻了重量，降低了成本。

本文旨在向用户推荐此特种电源的优势，虽然它是一个整机用户提出来的，但它具有普遍性和通用性，希望能为更多的用户采用，使整机设计更简便，干扰更小，可靠性更高。