一款可替代XX系列30 W電源的DC／DC變換電路

孟小娟，何 超，孫 晨

（陜西華經微電子股份有限公司 微電路事業部，陜西 西安710065）

1 概 述

近年來，航空航天領域日益拓展，對高性能、小體積、大功率密度的DC／DC變換器的需求逐漸提高，而對采用厚膜混合集成電路工藝制造的高密度、高可靠的DC／DC變換器的需求更為突出。XX系列電源產品性能優良，可靠性高，適用范圍廣，在國內廣泛應用。但用戶在使用中發現該系列產品功率密度小，同等功率產品體積較大，而且成本高，采購困難，尤其軍用產品被封鎖，H、K級明確禁運。根據這一市場供需，陜西華經微電子股份有限公司自主立項研發了小體積新型DC／DC變換器模塊，以打破封鎖，保障供應。該模塊在體積上比XX系列同功率模塊小，在性能指標上優于XX系列同功率模塊。

2 研制目標

主要技術指標如下：

（1）輸入電壓（范圍）：28 V（18 V～40 V）；

（2）輸出電壓（范圍）：5 V（4.9 V～5.1 V）；

（3）輸出電流：5 A；

（4）輸出功率：25 W；

（5）輸入／輸出隔離：隔離；

（6）外殼外形：JF；

（7）其余要求能實現部分動態指標。

產品的外殼尺寸：37.08×28.70×10.16 mm3。采用通用標準的雙列直插式平行縫焊殼體UPP3728－08。

3 設計原理與技術難點、關鍵問題的解決

3.1 工藝設計

根據XX系列電源MTR2805S的主要技術性能指標和原來的成熟工藝以及電源設計的經驗，經過周密思考及查閱大量有關資料，結合電路原理以及體積的要求，最終確定采用厚膜印刷、裸芯片組裝工藝的設計方案。

3.2 結構設計

根據密封要求，選取平行縫焊結構，內部有效面積33×24×8.5 mm3。依據尺寸小、重量輕、工作溫度范圍寬等要求，根據國產成熟的配套能力和軍工生產的現有標準結構，選定標準金屬外殼UPP3728－08封裝結構。

3.3 電路原理設計

需要研制的產品輸入為寬電壓：18 V～40 V，輸出電壓為：5 V，輸出電流為：5 A，要求紋波小、體積小、重量輕、成本低、可靠性高等特點。根據以上分析，單端正激式拓撲模式的優點正好滿足需求。因此，選用單端正激式、電流控制拓撲模式實現設計要求。電路原理如圖1所示。

穩壓過程：當輸出電壓Out＋發生變化時，R12、R13取樣電壓也發生變化，此電壓輸入基準源N3，與N3內部的基準電壓相比較，經過高倍誤差放大，轉換為電流信號，作用于光耦N2，再經N2內部隔離反饋，通過改變PWM調制器N1的脈寬，調整功率開關管的導通占空比，實現閉環反饋電路，從而達到穩定輸出電壓的目的。

3.4 技術難點及關鍵問題的解決

3.4.1 電源輸出噪聲

DC／DC模塊電源工作時，其內部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內上升和下降的，所以開關電源本身就是一個噪聲發生源。開關電源按噪聲干擾源種類可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。要使電源產生的干擾不至于對電子系統和電網造成危害，根本辦法就是采用耗能電路來削弱噪聲發生源，或者切斷電源噪聲和電子系統、電網之間的耦合途徑。

降低紋波主要在電路設計、布圖和選件上采取措施。具體有以下幾點：

（1）合理排列元件，盡量使電磁干擾平面化，不在立體空間互擾，這樣當整個電路封入金屬外殼時，會實現最大屏蔽效果。

（2）布圖時強弱信號的地線必須分線布圖，集中接地。

（3）使用磁路封閉、漏磁少的電感和變壓器。

（4）在變壓器初級、次級合理使用阻容吸收網絡消除電磁干擾。

3.4.2 產品短路功耗問題

樣品生產完成，進行輸出短路功耗測試，瞬間短路輸出端，用電流表測試輸入端電流，經計算短路時模塊功耗為13.3 W。

上述測試結果明顯不符合設計輸入要求，我們對產品工作時PWM脈寬調制器各引腳的工作狀況進行測試、分析。發現PWM脈寬調制器P3引腳的電壓已趨近0.7 V，現需要減小P3引腳的電壓尖峰，使PWM脈寬調制器不在臨界保護狀態下工作。經計算，反復試驗，調整P3腳（CS）的補償電路，改變其斜坡補償量，R17、R6、C12進行調整、匹配，減少尖峰干擾，使產品可穩定工作，測試短路功耗為3 W左右，其它指標滿足產品標準的規定。

圖1 電路原理圖

4 產品性能及試驗情況

產品完成后，進行了一系列試驗，來測試產品性能指標，質量一致性及可靠性。現將主要的幾例試驗及數據進行介紹。

4.1 產品達到的性能指標

與XX系列同功率電源進行指標比較，具體見表1。

表1 XX系列同功率電源與HY2805S25JF主要指標比較

由表1可知，該產品在電特性上可完全替代XX系列電源MTR2805S。且該產品在外形結構和體積方面比XX電源MTR2805S更小，同時實現輸入輸出完全隔離。

4.2 壽命試驗

壽命條件：TC＝＋125℃，1 000 h，壽命前后樣品測試指標對比如表2示。

表2 壽命前后樣品測試指標對比

由以上幾組試驗數據可知，該產品在體積上比XX系列同功率電源小，性能參數優于XX系列同功率測試數據，質量一致性及可靠性方面也達到軍品H級等級。

5 結 論

該產品經檢測和試用，各項技術性能指標已達到目標約定并滿足使用要求；經西京檢測中心鑒定檢驗合格；設計文件、工藝文件、質量文件等有關文件資料完整、準確、齊套，并能指導生產；制造工藝穩定、具有可重復性和批量生產能力。

同時該產品的研制，質量穩定可靠，可在其他領域廣泛推廣，具有一定的應用前景。