一種基于厚膜工藝的電流采集電路設(shè)計

倪春曉　趙國清

摘 要：目前國內(nèi)星載供配電系統(tǒng)中，通常采用印制線路板技術(shù)實現(xiàn)對供配電母線電流的采集與輸出，該技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，但在當(dāng)今小型化趨勢的推動下，顯然已經(jīng)不能滿足星載供配電系統(tǒng)對小型化、輕量化的需求。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于厚膜混合電路工藝的電流采集電路。該工藝技術(shù)與印制線路板技術(shù)相比，電路版圖面積不足后者的十分之一，且采集精度可以通過厚膜激光調(diào)阻技術(shù)大幅度提高。目前，該厚膜電路已成功應(yīng)用于多個型號的星載固態(tài)功率控制器的設(shè)計中。

關(guān)鍵詞：厚膜混合電路工藝；電流采集電路；固態(tài)功率控制器

1引言

針對國內(nèi)航天器星載供配電系統(tǒng)正在開展的固態(tài)功率控制技術(shù)研究，本文提出了一種基于厚膜工藝的電流采集電路。利用該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對功率母線電流的實時監(jiān)測與采集，為后級系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供有效的保障。與印制線路板技術(shù)相比，本文采用的厚膜混合集成電路工藝，版圖面積不足印制線路版圖面積的十分之一，電流采集精度也顯著提高，在固態(tài)功率控制器小型化設(shè)計方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2厚膜工藝技術(shù)簡介

厚膜工藝技術(shù)是指將導(dǎo)電圖形、絕緣介質(zhì)以及電阻電容等通過絲網(wǎng)印刷、干燥、燒成到陶瓷基板上的一種工藝技術(shù)[3]。厚膜混合電路是指利用厚膜工藝技術(shù)，將表貼元器件或裸芯片組裝到厚膜陶瓷基板上的混合電路[4]。

3電路設(shè)計與分析

電流采集電路的主要功能是將功率母線的電流取樣放大后以電壓的形式反映到輸出端，實現(xiàn)對母線電流的實時監(jiān)測與采集。

RS為采樣電阻，V1、V2為高增益的對稱三極管，C1為濾波電容，R1、R2為匹配電阻，R3、R4為限流電阻，R5、R6為放大電阻，其中R1=R2，R3=R4，電阻R5上端為電流采集輸出端，假設(shè)RS兩端采樣電壓為VS，R5上端采集輸出電壓為VOUT，V1的發(fā)射極電壓為V1E，RS左端電壓為VS1，RS右端電壓為VS2，則V1的基極電壓為V1E-0.7，V2的發(fā)射極電壓為V1E-0.7+0.7=V1E，由于V1、V2的增益很大，一般在150～450之間，所以基極電流可以忽略，認(rèn)為IE=IC。又因為R3=R4，且 V1的發(fā)射極電壓等于V2的發(fā)射極電壓，所以V1的集電極電流ICV1等于V2的集電極電流ICV2，V1的發(fā)射極電流IEV1等于V2的發(fā)射極電流IEV2。

一般情況下，通過合理設(shè)置R5、R6與R1的比值即可將采樣電阻兩端的電壓通過輸出端VOUT反應(yīng)出來。顯然，以上的推導(dǎo)過程是完全理想的，實際應(yīng)用過程中，由于器件之間的差異，勢必將引起電路采集精度的變化。

由于電路采用厚膜混合電路工藝實現(xiàn)，電阻采用絲網(wǎng)印刷燒制，利用激光調(diào)阻技術(shù)可以對厚膜電阻精度進(jìn)行精密調(diào)整[5]，因此當(dāng)電路因器件性能差異引起采集精度下降時，正好可以通過厚膜激光調(diào)阻技術(shù)對電阻R1或R2進(jìn)行初始零位修正。同理，也可通過激光調(diào)阻技術(shù)對R5、R6進(jìn)行放大斜率修正。

當(dāng)電流采集電路輸出端VOUT的初始零位較低時，則利用激光調(diào)阻機(jī)對厚膜電阻R2進(jìn)行微調(diào)，直至初始零位電壓微調(diào)至滿足要求為止；當(dāng)電流采集電路輸出端VOUT的初始零位較高時，則對厚膜電阻R1進(jìn)行微調(diào)，直至初始零位電壓微調(diào)至滿足要求為止。

4電路版圖設(shè)計

4.1元器件分類

阻器，通常具有阻值低、精度高、溫度一致性好、負(fù)載耐受功率大、體積小和安裝可靠性高等特點，適用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多種安裝方式，廣泛應(yīng)用于航空航天等大功率電流采樣電路中[4]。分析得出，RS電阻的阻值精度將直接影響電路的采集精度，根據(jù)實際應(yīng)用情況，RS電阻的取值范圍通常在1mΩ至100mΩ之間，阻值精度一般不超過5%，在采集精度要求較高的情況下阻值精度應(yīng)不超過1%。

C1作為濾波電容，通常選用一類瓷介電容器，該類電容器具有容值穩(wěn)定性高、介質(zhì)損耗小、絕緣電阻高、介電常數(shù)隨溫度呈線性變化等特點，同樣適用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多種焊接方式[5]。實際應(yīng)用過程中，C1電容的取值一般在pF量級。

電阻R1～R6采用厚膜印刷工藝制作，具有精度高、體積小、可靠性高和溫漂小等特點。實際應(yīng)用過程中，R1、R2的取值范圍通常在10Ω至500Ω之間，R3、R4的取值通常不小于100kΩ，R5、R6的取值根據(jù)實際電路的放大倍數(shù)通常在1kΩ至100kΩ之間。

V1～V3為高增益PNP型三極管，采用裸芯片粘接方式固定，具有體積小、功耗低、信號穩(wěn)定性高等特點。實際應(yīng)用過程中，為提高電路的采集精度，三極管V1、V2的電性能參數(shù)應(yīng)高度一致，尤其是放大倍數(shù)的一致性。

4.2平面化設(shè)計

4.2.1片式阻容器件平面化設(shè)計

采樣電阻RS和濾波電容C1采用表面焊接的方式安裝，在基板上設(shè)計時應(yīng)當(dāng)盡可能選取同一方向，以便于組裝。片式阻容兩端的焊接區(qū)應(yīng)基本對稱，以免相差太大導(dǎo)致焊接時元件漂移，影響可靠性。

4.2.2三極管芯片平面化設(shè)計

三極管V1～V3采用裸芯片表面粘接的方式安裝，通常情況下半導(dǎo)體芯片的粘焊接區(qū)每邊應(yīng)比芯片大0.15mm以上，推薦大于0.25mm。

4.2.3厚膜電阻平面化設(shè)計

電阻R1～R6采用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝制作，設(shè)計時電阻方向應(yīng)與基板邊緣平行，并盡可能使所有電阻的長度方向平行于基板的長度方向[6]。電阻兩端搭接導(dǎo)帶與電阻膜一般應(yīng)重疊Y=0.15mm以上，且端頭兩側(cè)應(yīng)超出電阻膜寬X=0.10mm以上。

根據(jù)電路設(shè)計，假設(shè)R1= R2=100Ω，R3= R4=100kΩ，R5=1.9kΩ，R6=100Ω，選用三種方阻漿料即可滿足設(shè)計，分別為100Ω/□，1kΩ/□和100kΩ/□，電阻設(shè)計時按額定值的60%～80%設(shè)計。

4.3整體設(shè)計

按厚膜混合集成電路平面設(shè)計規(guī)范的要求。，采用印制電路板技術(shù)。采用厚膜混合集成電路工藝布局，電路的版圖面積為6.4mm×4.8mm=30.72mm2，采用印制線路板工藝布局，電路的版圖面積為21.5mm×16.5mm=354.75mm2。顯然，采用厚膜工藝布局布線，電路的版圖面積不足印制線路板面積的十分之一。

5測試結(jié)果

對上述兩種工藝技術(shù)制作的電流采集電路進(jìn)行測試（取RS=10mΩ），結(jié)果表明，采用印制線路板技術(shù)制作的電流采集電路，采集精度可以達(dá)到95%以上；而采用厚膜混合集成電路工藝，利用厚膜激光調(diào)阻技術(shù)，采集精度可以達(dá)到98%以上。

6結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于厚膜工藝的電流采集電路。與印制線路板工藝相比，電路版圖面積不足后者的十分之一，電流采集精度也大幅度提高。目前，該厚膜電路已成功應(yīng)用于多個型號的星載固態(tài)功率控制器的設(shè)計中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蒲亞芳.一種基于厚膜工藝的電路版圖設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（4）：118-120.

[2] 王姜伙，王志勤.基于厚膜混合集成電路的激光調(diào)阻工藝研究[J].電子與封裝，2012，12（11）：34-36.

作者簡介：

倪春曉（1987-），男，山東煙臺人，工程師，電子科技大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)在山東航天電子技術(shù)研究所從事厚膜混合集成電路的研發(fā)與設(shè)計工作。