一款高效率50 W国产芯片化DC/DC变换器的设计

杨三成，何 妮，李 萌，贾 琳，张 敏，彭 侃

（陕西华经微电子股份有限公司微电路事业部，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着DC/DC变换器的发展及市场供需的紧迫形势，近年对国产化DC/DC变换器的需求量逐渐增多，对采用厚膜集成工艺制造的效率高、可靠性高的DC/DC变换器的需求量更为明显。针对这种市场情况，公司根据用户需求独立自主研发立项了一款50 W国产化DC/DC变换器电源模块，以打破这一局面，保障市场供应[1]。

1 研制目标

1.1 主要技术指标

主要技术指标如下：（1）输入电压范围为16 ～40 V；（2）输出电压范围为4.9 ～5.1 V；（3）输出最大电流为10 A；（4）输出最大功率为50 W；（5）输入端/输出端隔离（6）效率大于86%。

1.2 推荐使用要求

绝对最大额定值如下：输入电压范围为16 ～40 V；引线耐焊接温度为≤300 ℃；贮存温度范围为-65～+150 ℃。

推荐工作条件如下：输入电压范围为16 ～40 V；外壳工作温度范围为-55～+125 ℃。

1.3 外形尺寸

产品的外形（外壳）尺寸为53.08 mm×28.58 mm×10.16 mm3。

选用双列直插平行缝焊结构，外壳型号为UPP5328-10Ka，陶瓷绝缘子和无氧铜引线。

2 电路设计

2.1 方案设计

产品要求将16～40 V的直流输入电压转化为具有稳定的5 V/10 A直流输出能力，电路设计有输入端欠压保护、输出端短路保护，故障解除后，可以恢复正常。

结合用户要求特点，本产品的线路设计采用了同步整流有源钳位正激DC/DC的电路结构，线路本着简洁可靠、高效率转换的原则，在完全满足项目要求的所有指标的情况下，可靠性高、抗振能力强、足额的降额考虑和优良的热设计思路贯穿整体电路设计过程，保证了军品高可靠性的要求[2]。

2.2 工艺设计

该产品采用裸芯片工艺进行组装，陶瓷基片散热，10脚金属封装外壳。在工艺方面采用厚膜电路的成膜工艺和厚膜电路的装配工艺。厚膜混合集成电路成膜工艺包括制版、印刷、烧结、调阻4道工序，基于产品的小体积、导体印刷时线条过于密，个别导带较细、间距窄，成膜印刷时加大了难度，为了有效防止在导体印刷时出现不同印刷层之间的错位现象，设计了3个用来印刷时定位的点，减小了用肉眼检查各导体之间相对距离造成的差异，确保了印刷导体时精准的位置和不同层之间导体印刷良好的衔接，缩小了误差。

军用厚膜电路的装配工艺包括焊接、黏接、键合、封装、筛选等工序。各工序互相配合，成熟的工艺水平保证了产品质量水平及可靠性，具有一定的批生产能力和科研攻关能力，平行缝焊封装，印刷电路导体的基片选用导热性能良好的96%Al2O3陶瓷基片。产品中的集成电路、MOS开关管、三极管、二极管均采用国产裸芯片[3]。

2.3 结构设计

根据用户对产品的密封要求，特选取了平行缝焊双列直插金属外壳结构。根据外形、重量轻、工作温度等条件，结合国产稳定的配套和军工系统内已有的结构，选取标准结构外壳，型号为UPP5328-10Ka，采用陶瓷绝缘子和无氧铜引线，确保产品的功率要求。外壳具有抗盐雾、耐湿特性，确保用户使用环境的要求。

2.4 电路的原理方面设计

该产品输入电压范围为16 ～40 V，单路输出，电压为5 V，电流为10 A，用户要求产品具有低纹波、高效率、高可靠等特点，输入端要具有欠压保护、输出有短路保护功能，故障消除后，输出电压可以自动恢复正常。结合本次设计低电压大电流的特点，采用同步整流式有源钳位正激DC/DC的电路结构作为主回路。

产品由输入端滤波网络电路、功率转换电路、脉冲宽度调制（Pulse Width Malulation，PWM）控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路等组成。电路原理图见图1。

图1 电路原理图

有源嵌位技术与同步整流技术相结合，应用于PWM开关电源中取得了完美的增强效应，这是因为有源钳位技术实现了开关管零电压开通，大大减小了开关损耗和开关管电压应力，减少了选管困难；而同步整流极大地减少了整流管导通损耗。此技术也实现了变压器双向励磁，减小了变压器体积，减少了铜损，从而使变换器获得了高效率。同步整流有源钳位技术的发展促使低压大电流输出DC/DC变换器向着高效、节能、小型化的方向不断发展[4]。

输入滤波电路是为了抑制输入电源的电磁噪声和不相干的杂波信号，避免对电源造成干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对系统的干扰。本次设计采用最简单的电容滤波电路。

功率转换电路由开关转换及高频式变压器组成，通过变换电路将输入端的能量传输到输出端，实现电压变换和输出电压调整的目的。在本设计中采用的是同步整流有源钳位正激式DC/DC变换器电路以及平面变压器结构。

整流滤波网络可以有效地抑制输出端电压纹波的减小，以减小DC/DC变换器对负载的影响。本次设计采用电压自驱动同步整流方式，以尽量减小整流损耗。本次输出端滤波采用电容电感（LC）滤波电路。

反馈稳压电路是为了及时检测开关电源输出电压的变化，与基准电压进行比较，并将误差信号经光耦线性反馈至控制电路，通过控制电路予以调整，使电源工作在安全状态[5]。

产品保护电路包含输入端电压的欠压保护，输出端的短路保护、电路中热保护。输出短路采用关断保护方法，确保了短路状况模块的安全性；热保护由主芯片内设，典型值为165 ℃。

PWM控制器，即利用定频调宽实现开关变换控制，达到电压变换的目的。本电路设计采用LM5025A电压模式PWM控制器，具备提供完成有源嵌位变换所需要的主副开关信号，自备内部供电电路，简化了外围设计，能够很好地满足设计要求。

2.5 技术难点及关键问题的解决

2.5.1 线路问题

结合用户要求及产品特点，选择有源嵌位技术与同步整流技术结合的模式电路。

有源嵌位技术与同步整流技术完美结合，应用于PWM开关电源中取得了完美的增强效应，这是因为有源钳位技术实现了开关管零电压开通，大大减小了开关损耗和开关管电压应力，减少了选管困难；而同步整流极大地减少了整流管导通损耗。此技术也实现了变压器双向励磁，减小了变压器体积，减少了铜损，从而使变换器获得了88%以上的高效率。同步整流有源钳位技术的发展促使低压大电流输出DC/DC变换器向着高效、节能、小型化的方向不断发展。

结合本次设计低电压大电流的特点，选用同步整流有源钳位式正激DC/DC的拓扑电路形式作为主回路结构。

2.5.2 输出纹波与功率线问题

电源在工作时其本身就是一个噪声发生源，常用的降低纹波的方法是输出端加电容或电感进行滤波、平面布图时强信号与弱信号的地线分开走线、集中在一起接地等，每种产品都有适合的降纹波方法，结合该产品的线路特点和多次摸索及实验验证，发现输出的功率地线走向对输出纹波的影响尤为重要，总体来说就是输出功率地线距离变压器及电感尽量远，距离输出引脚尽量近，经滤波电容后再连接至输出引脚，这样可以有效降低输出纹波。这种情况是根据该产品的布图特点进行的设计。

输出功率地线在条件允许的情况下尽量增加宽度，结合该产品的内部结构及平面布图的实际情况，留给输出功率地线的平面宽度比较小，综合各种因素，采用厚膜导体套印的方法，在导体无法增加平面宽度的情况下，通过二次套印导体增加了导带厚度，使功率地线达到要求。导体套印技术属于成熟工艺，确保了套印的可靠性。

2.5.3 热设计、可靠性问题

该产品属于单路输出50 W电源，要使热量能均匀散发出去，不出现局部过热的问题，合理的热设计是其主要工作，同时提高产品的可靠性也是其主要工作。

考虑到功率密度的要求，将产品的主要发热器件变压器和电感牢靠的直接黏接在外壳底座上，利用外壳材料良好的导热性进行快速散热。陶瓷基板、开关MOS管，整流二极管等合理分布并流焊在陶瓷基板上，利于散热，同时陶瓷基板与外壳相连，能够迅速将器件热量传导，不会出现器件局部过热现象。如此布局后，模块的热量可以均匀地分布在整个产品中并散出去，有效地减小了热效应对产品的老化损伤，增加了产品的使用期限，很大程度上提高了产品的可靠性，同时可以有效地利用空间，使产品实现小型化。

产品采用裸芯片，微组装工艺，无论是在可靠性方面还是工作温度等方面都比塑封器件有了极大地提升，产品可靠性高，故障率极低。

2.5.4 输出短路保护的设计

该电源的输出端短路保护电路由专用的电流互感器（Current Transformer，CT）、分压取样的计算电阻来完成。CT将功率开关管上流过的电流快速转变为电压形式的信号，输入到U1的第3引脚，进行限制、截止脉宽调制器输出脉宽的大小，达到保护电源的目的。CT产生的功率属于纯粹的功耗，所以初级的线圈匝数要求少，内部阻值要小。本次设计选用初级与次级匝数比值为1∶100的CT。

本次采用的IC芯片有两种短路保护模式，分别为打嗝短路保护、逐周短路保护模式。

逐周短路保护模式为电流的取样信号是逐周进行关断而驱动输出，是提早关断每一个周期，缩短MOS的开通时间，达到了限制保护的目的，是一种电流峰值的限制方法。电路限流保护以后，输出端的电压会降低，但有输出。这种比较适用于短时间轻微过负载不断输出的模式。

打嗝式短路保护是只要感应到产品输出端出现严重过电流和短路，该电路的输出就会关断一定时间，再利用电路自身带的软启动电路再一次启动，如果过流现象还存在，就继续断开电路的输出。因为打嗝式断路保护控制的时间长一些，会关断很多个周期，一旦出现持续性严重过电流时，这样能够明显减小输入端的平均电流，减小过流时所有元件的损耗，有效减小了电源输出端在严重过载和长时间短路时产生的热应力。在过流时，DC/DC电源模块输出端几乎电压掉到0，避免了严重过载及短路对DC/DC变换器的损害，也防止了负载发生故障的范围再扩大，在过流故障消除后可自动恢复正常。

此次电路设计中，利用保护的两种形式，把反馈信号接到U1的3脚，同时也接到U1的4脚，轻微过负载时就会发生逐周短路保护，严重过载情况下就会触发打嗝短路保护，调整所接入的电阻阻值来限制保护程度，更好地保护DC/DC变换器。

3 产品试验情况

产品研制生产完成后，经过测试及相关试验，来测试产品的性能指标，质量一致性及可靠性，包含各种试验等，该国产DC/DC变换器经过多项试验后，测试产品性指标均满足用户要求，达到了设计目标。对该50 W国产DC/DC变换器进一步摸底测试，最大输出功率可达60 W，效率及其他各项指标均满足要求，超越设计目标。

4 结 论

本次研制的50 W国产DC/DC变换器已经进行了鉴定，完全达到了鉴定试验的各项要求，所有性能技术指标已达到目标要求并且能够满足使用，目前该产品已经批产，同时也在向其他领域推广，该国产DC/DC变换器的研制成功，解决了目前国内市场相关供需紧张问题，在实际中得到广泛应用。