高可靠性與超寬環境溫度的混合集成DC/DC變換器的設計 〔轉貼〕
高可靠性與超寬環境溫度的混合集成DC/DC變換器的設計
王其崗

(國營第七四九廠,甘肅天水741000)

摘要:電源,特別是在國防上應用的電源,由于其環境條件的惡劣,從而對電源性能的要求也愈來愈嚴格.介紹一種作者為國家級重點軍品項目開發、研制的,具有超寬工作環境溫度(-60℃~+125℃,150℃短時間工作3min)和高可靠性、高頻率的厚膜混合集成DC/DC電源變換器,并提出設計此特種電源所要遵守的原則及注意事項.關鍵詞:高可靠性;超寬環境溫度;特種電源;開關電源DesignProceduresofHybridIntegrated DC/DCConverterwith

HighReliabilityandSuperwideAmbientTemperature

WANGQigangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhighreliabilityandhighfrequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuperwideoperatingambienttemperature isfrom-60℃to+125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Superwideambienttemperature;Specificpower supply;Switchingpowersupply中圖分類號:TN86文獻標識碼:A文章編號:0219- 2713(2002)10-0539-05

1引言

近年來電源設備日趨復雜,元器件的品種和數量增加很快,使用環境也變得惡劣多樣,而所服務的電子系統又越來越重要和昂貴,特別是軍用裝備,尤其是航空、航天上的元器件及系統可靠性的要求就更高了.開關電源向著高頻、高可靠、低耗,低噪聲、抗干擾和模塊化的方向發展,供電方式由集中供電向分布式供電發展.DC/DC變換器的需求越來越大,同時對可靠性提出了更高的要求.采用厚膜混合集成電路的形式既能使電路小型化又能達到高可靠性.本文介紹一種作者為我國重點軍品項目研制、開發、生產的高可靠、超寬工作環境溫度(-60℃~+125℃)的特種厚膜化電源.并提出研究此特種電源所要遵守的原則及注意事項,尤其是圍繞此特種電源進行的可靠性設計.

此厚膜混合集成化電源YH12D12的主要技術指標如下:

1)輸入電壓18~36V.

2)輸出電壓±(12±0.5)V.

3)輸入電壓調整率1.5%.

4)輸出電壓溫度系數0.025%/℃.

5)最大輸出電流±70mA.

6)工作環境溫度-60℃~125℃.

7)環境老化要求低溫-55℃,高溫+125℃.

8)溫度循環-55℃~125℃,5次.

9)高溫功率老化125℃、96h,150℃、3min.

10)機械沖擊試驗恒定加速度49000m/s2,1min.

11)振動試驗0~2000kHz.

12)隨機振動試驗功率譜密度為功能試驗

0.07g2/Hz,結構試驗0.09g2/Hz.

13)外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊.

2可靠性設計

21可靠性的定義

國際上,通用的可靠性定義為:在規定環境條件下和規定的時間內,完成規定功能的能力.此定義適用于一個系統,也適用于一臺設備或一個單元.由于故障出現的隨機性質,用數學方式來描述可靠性,常用“概率”來表示.從而,引出可靠度[R(t)]的定義:系統在規定環境條件下和規定時間內,完成規定功能的概率.

如系統在開始(t=0)時有n0個元件在工作,而在時間為t時仍有n個元件在正常工作,則可靠性R(t)=0R(t)1(1)失效率λ(t)=-()(2)

(λ的單位為FITS=10-9失效/h)

λ定義為該種產品在單位時間內的故障數,即λ=dn/dt.

如失效率λ為常數,則=-λt(3)

n=n0e-λt(4)

R(t)=e-λt0
涉及系統可靠性的因素很多.目前,人們認識上的主要誤區是把可靠性完全(或基本上)歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計對于可靠性的決定性的作用.據美國海軍電子實驗室的統計,整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所列.

表1整機出現故障的原因故障原因占總失效數的百分比/%
設計上的原因元器件質量上的原因操作和維護上的原因制造上的原因40302010
在民用電子產品領域,日本的統計資料表明,可靠性問題80%源于設計方面.(日本把元器件的選型,質量級別的確定,元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因).總之,對系統的設計者而言,需明確建立“可靠性”這個重要概念,把系統的可靠性引為重要的技術指標,認真對待可靠性的設計工作,并采取足夠的提高可靠性的措施,才能使系統和產品達到穩定、優質的目標.

此特種電源的主要設計難點在于在有限的空間內(電源小型化要求)制造出能夠在125℃ 環境溫度下長期穩定、可靠工作的DC/DC電源.而電源產品不可避免地要消耗能量使自身發熱.一般來說,如果電源具有輸出功率在1~2W之間,且多路輸出(雙路以上),并且要求輸出隔離等特點,則此類電源的最高效率僅為65%左右,即就是說要有近一半的能量消耗在電源自身,使電源發熱.

元器件實際工作中的負荷率與失效率之間存在著直接的關系.因而,元器件的類型,數值確定以后,應從可靠性的角度來選擇元器件必須滿足的額定值,如元器件的額定功率、額定電壓、額定電流等.

22環境溫度及負荷率對可靠性的影響

從以下的資料可以看到,元器件的環境溫度和使用負荷對于可靠性的影響是如何巨大.

1)半導體器件(含各種集成電路和二極管、三極管)

例如硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計(PD:使用功率,PR:額定功率),則環境溫度對可靠性的影響,如表2所列.

表2環境溫度對半器件可靠性的影響環境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10-9h]500250015000
由表2可知,當環境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時,失效率增加了30倍.

環境溫度Ta=50℃,PD/PR對失效率的影響如表3所列.

表3PD/PR對硅半導體器件失效率的影響PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10-9h]3050150700250070002000070000
由表3可知,當PD/Pn=0.8時,失效率比0.2時增加了1000倍以上.

為了提高產品的可靠性,抵消由于+125℃高溫環境所引起的失效率的增加,此類特種電源的硅半導體器件和FET器件的使用負荷設定小于0.1.

2)電容器(以固體鉭電容器為例)

以UD/UR=0.6設計(UD:使用電壓,UR:額定電壓),則環境溫度對可靠性的影響如表 4所列.

圖1元器件失效率的盆底曲線

表4環境溫度對電容器可靠性的影響環境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10-9h]52570
由表4可知,當環境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時,失效率增加了14倍.

英國曾發表電容器失效率λ正比于工作電壓的5次方的資料,稱為“五次定律”,即λ ∝U5.

當U=UR/2,

λ=λR/25=λR/32(λR為額定失效率)

即電容器工作電壓降低到額定值的50%時,失效率可以減小32倍之多.

3)碳膜電阻器

以PD/PR=0.5設計,則環境溫度對可靠性的影響如表5所列.

表5環境溫度對碳膜電阻器可靠性的影響環境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/109h]124
由表5可知,當環境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時,失效率增加了4倍.

碳膜電阻器使用于軍品的數據如表6所列.

表6PD/PR對碳膜電阻器失效率的影響PD/PR00.20.40.60.81.0
失效率λ[1/109h]0.250.51.22.54.07.0
由表6可知,當PD/PR=0.8時,失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍.

23失效率曲線

元器件失效率的盆底曲線如圖1所示.

失效率λ與工作時間的關系為

1)早期失效期

λ高但迅速下降,差的元器件在短期工作后失效,可用篩選老化來淘汰早期失效的元器件.

2)有效工作期

λ低而固定,元器件因多種不同原因而失效.

3)壽命結束期

λ高而迅速上升,大部分元器件因損耗而失效.

24經驗數據

實際使用中的經驗數據為

——半導體元器件負荷率應在0.3左右;而此電源使用負荷設定小于0.2.

——電容器負荷率(工作電壓和額定電壓之比)最好在0.5左右,一般不要超過0.8;而此電源使用負荷設定小于0.5,并且盡量使用無極性電容器.

——電阻器、電位器、負荷率≤0.5.而此電源使用厚膜燒結電阻,可靠性將更高.

總之,對各種元器件的負荷率只要有可能,一般應保持在≤0.3.不得已時,通常也應 ≤0.5.

25可靠性設計原則

綜上所述,我們可以得出設計此特種電源的可靠性設計原則.

首先將此電源視為一個復雜的電子系統工程,視為由幾個子單元組成的較大電子系統.提高它的可靠性主要從下幾方面(其重要性依次遞減)入手.

1)對于關鍵元器件,采用并聯方式,保證此單元有足夠的冗余度

如圖2所示的R1、R6;C9、C11.

2)原則上要盡一切可能減少元器件使用數目經過多次試驗驗證R11、C8、D6完全可以去掉.

3)在同等體積下盡量采用高額度的元器件例如T1、V1、L1、L2、L3.

4)選用高質量等級的元器件IC1、IC2、DZ1選用特軍級.

5)原則上不選用電解質電容盡量選用無極性

介質電容.例如:C2、C5、C6、C7.

6)沒有接線或連接器采用厚膜混合技術.

7)品質檢查(進行老化、在線驗測,執行ISO9000系列標準)進廠后還要經過嚴格的老化、篩選.

上述七個方面便是此電源選用元器件的原則.

3電源工作方式與關鍵元器件的選擇

31電源工作方式的選擇

兩種不同的電源工作方式比較情況如表7所示.

表7電流反饋單端正激式電源和電壓反饋

推挽式電源的比較電流反饋單端正激式電源電壓反饋推挽式電源元器件數少較多
工作頻率提高容易(最高可大于800kHz)不容易(250kHz)
高低溫穩定性很好一般
功率密度較高低
工作應力較小大
振蕩過沖很小較大
過流保護自帶外加
從表7的對比我們不難看出,電流反饋單端正激式的突出優點在于

1)高頻率工作下的低應力;

2)同樣功率的電源所用的元器件較少;

3)因為其為電流反饋式,使其先天地具有高、低溫穩定性強于電壓反饋式的優點.

此電源原理圖如圖2所示.

32關鍵元器件的選擇

1)主電路1843的選擇

一般似乎認為,只要是1843它都應當滿足在全溫度范圍(-55℃~+125℃)內的所有主要技術指標,如基準電壓的穩定度,設定的振蕩頻率等,但在實際中往往不是這樣.在占空比D=50%,腳6模擬負載R=75Ω,C=2200pF,R,C并聯的實驗條件下,振蕩頻率穩定度的實驗結果如表8所示.

從表8我們不難看出以下幾點:

——對3843來講,高溫參數的嚴重漂移應在情理之中,因為在此高溫下其技術指標不能滿足穩定度的要求,特別應該注意的是,同為UC3843,不同年份生產的同類產品其性能指標也存在巨大的差異.

——對1843來講,不同生產廠家的產品,其振蕩頻率高溫穩定性也同樣存在較大的差異.這一點更應當引起各位同行,特別是軍品生產單位同仁們的注意.在高溫下基本振蕩頻率的嚴重漂移,所帶來最直接的后果是不言而喻的.它已經嚴重破壞了電源本身的基本參數(主變壓器的工作特性)使電源在高溫下無法正常工作.

2)主變壓器的磁芯選擇

此電源的設計重點是使其在+125℃高溫中穩定可靠地工作.此電源的體積要求為30mm× 20mm×8mm,由于體積的限制所以主變壓器磁芯的尺寸選擇也不可能過大.因此以下二點應重點考慮.

——提高工作頻率,此電源的工作頻率設定為400kHz左右;

——優選主變壓器磁芯,優選原則如下.

①飽和磁通密度Bs(mT)要高(>500);

②剩磁Br(mT)要小(<100);

③居里點Qc(℃)要高(>200);

④電阻率ρ(Ω·cm)要高(>600);

⑤磁導率(通常大磁場下振幅磁導率或交直流疊加下增量磁導率)要適當地高(>2 000);

⑥磁芯損耗Pc(mW/cm3)要小(<600),最關鍵的是要求其具有負溫度系數,以利于高溫穩定工作.

眾所周知在高頻與高磁通密度下,磁芯總損耗Pc為

Pc=kfmBn(7)

式中:k——常數;

f——工作開關頻率;

B——工作磁通密度;

n——指數,對于功率鐵氧體材料,典型值為25;

m——指數,在f=10~100kHz時,應考慮渦流損耗,此時m=1.3,當頻率提高到100kHz上時,m要增大.

由式(7)可見,提高工作磁通密度,磁芯損耗將以25次方增加引起變壓器升溫,因此變壓器設計時,磁芯損耗限制值也限定了最高工作磁通密度.同時提高開關頻率,磁芯損耗也要相應增加,所以在進行變壓器設計時,磁芯損耗200mW/cm3是一個適宜的限制值.在規定的磁芯損耗下,提高工作頻率必須相應降低工作磁通密度值.

3)磁芯的尺寸考慮

眾所周知,磁芯有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率.德國西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達式為

P=CfΔBJFCUSaSe(8)

式中:C—與變換器工作方式有關的常數,如推挽式C=1;單端正激式,C=0.71;單端反激式,C=0.61.

J—電流密度;

FCU—銅占因子;

Sa—窗口面積;

Se—磁芯有效載面積.

功率變壓器磁芯形狀應考慮大電流引出線及散熱容易,對高頻變壓器還應考慮屏蔽,防止雜散磁場干擾.關于磁芯損耗(PC)與溫升的關系,可用式(9)表示.

PC=ΔT/Rth(9)

式中:ΔT—磁芯溫升;

Rth—熱阻.

降低熱阻可提高磁芯的功率承受能力;而熱阻又近似地與磁芯表面積成反比.因此在磁芯形狀設計中加大背部或外翼尺寸,將它變寬變薄,使暴露的鐵氧體面積增大,可以降低熱阻.

4)單端正激式開關電源變壓器計算

單端正激式開關電源變壓器與反激式開關電源變壓器磁芯都是單向激磁,要求磁芯脈沖磁感應增量大.但是變壓器初級工作次級也同時工作,因此,計算方法和步驟又與雙極性開關電源變壓器接近.

初級繞組匝數N1計算式為N1=×10-2(10)

式中:Vp1——變壓器輸入額定電壓幅值,此電源標稱電壓值為27V;

ton——開關管導通時間,此電源設定為1μs;

ΔBm——脈沖磁感應增量,此電源設定為0.2T;

Ac——磁芯截面積,所選磁材為PC40EPC10—Z,其截面積為9.39×10-2cm2.

按上述所選值求得N1=13.次級繞組匝數計算在此不再贅述.

5)各二極管的選擇

在一般軍品電源中,整流二極管都選擇肖特基二極管,因其具有低壓降和超高速的雙重優點.但是,此電源設計工作溫度為+125℃(長期),+150℃(短期),已經接近肖特基二極管的容許結溫,因此肖特基二極管在此電源中無法使用,只能選擇硅二極管.選擇的主要參數為:最大峰值工作電流Ifsm>0.5A,反向電壓Vrrm>100V,反向恢復時間trr<50ns.這樣才能保證電源在要求的環境溫度范圍內正常工作.

4電源的生產工藝與全面質量管理

生產工藝采用先進的厚膜混合集成生產工藝.厚膜電路的優點主要是無源元件的參數范圍廣,精度較高,性能穩定可靠,元件間絕緣良好,高頻特性好,易于制造出高壓、大電流和大功率電路,電路設計靈活性大,可多層布線.由厚膜生產工藝生產出無源元件和半導體技術制作的IC,MSI,LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成電路,可進一步提高集成度和實現多功能化.此特種電源從元器件采購、元器件入廠篩選,再到我廠的貫軍標厚膜生產線生產的全過程實施全程管理,全程化生產工藝控制,從而保證了產品的質量,此電源現已使用到了國家軍工重點工程上,并得到了使用廠家的好評.

5結語

本文詳細介紹了設計、生產、此特種電源的原則和注意事項,尤其是將可靠性提高到了應有的高度,使大家認識到產品的可靠性不但是生產出來的,而且更重要是設計出來的.此觀點和本文所提出的原則和注意事項不但可以應用到電源設計上,而且也可以應用到任何種類的電子產品的研制生產當中去.

作者簡介

王其崗,男,1990年7月畢業于西安電子科技大學,同年分配到七四九廠,現為高級工程師,至今一直從事各種類型的開關電源及各類功能模塊的研究和開發工作.現主要研究方向為混合厚膜化、高頻小型化、高功率密度等各類DC/DC開關電源,為我國多種重點軍工項目配套研究開發了各類開關電源模塊.