32V轉(zhuǎn)5V小型DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

靳寶軍

陜西華經(jīng)微電子股份有限公司 陜西西安 710065

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)電源可靠性、容量/體積比、技術(shù)性能要求越來(lái)越高，芯片化模塊電源越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，它體積小、可靠性高、工作溫度范圍寬，便于安裝組合，所以被廣泛采用。在一些比較特殊的電子設(shè)備中，運(yùn)用了多個(gè)精密的小型儀器儀表，需要分別獨(dú)立供電。如果采用傳統(tǒng)的模塊電源，受到內(nèi)部器件的限制，其體積較大，裝載多個(gè)產(chǎn)品會(huì)使電子設(shè)備顯得龐大及笨重；而且傳統(tǒng)的模塊電源工作溫度范圍較窄，直接影響到電子設(shè)備的應(yīng)用范圍。芯片化電源就是專門針對(duì)這一弊端而研發(fā)的，這也是當(dāng)前模塊電源發(fā)展的趨勢(shì)。該產(chǎn)品只是芯片化電源的一種，其工作原理與傳統(tǒng)模塊電源是大同小異。我們?cè)谘兄七^程中遇到并解決了一些特殊的難題，現(xiàn)總結(jié)以供同行評(píng)論。

1 設(shè)計(jì)原理

配備該產(chǎn)品的整機(jī)總線電壓是32V，整機(jī)內(nèi)部分儀表、電路的工作需要一個(gè)5V的電壓，該產(chǎn)品的作用就是將32V的總線電壓隔離轉(zhuǎn)換成5V供整機(jī)內(nèi)部的儀表、電路使用。該產(chǎn)品采用光耦隔離反饋、單端正激模式，將32V輸入電壓經(jīng)過內(nèi)部變壓器轉(zhuǎn)變成5V電壓輸出。通過誤差反饋對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，通過濾波電路對(duì)輸出紋波進(jìn)行有效節(jié)制。

2 研制目標(biāo)

（1）輸入電壓（范圍）：32V（27V-38V）；

（2）輸出電壓（范圍）：5V（4．9V-5．1V）；

（3）輸出電流：1．2A；

（4）輸出功率：6W；

（5）輸入 /輸出隔離：隔離；6．外形尺寸：27．5×27．5×5．9。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 .工作原理

該產(chǎn)品要求對(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行電壓變換，輸入的電壓范圍為：直流27-38V，經(jīng)過DC/DC隔離變換，輸出電壓5V的低紋波、高轉(zhuǎn)換效率的直流電壓。

具體工作過程為：全電路采用光耦隔離反饋、單端正激模式。輸入電壓經(jīng)過變壓器初級(jí)、MOS管，在一個(gè)脈寬調(diào)制器作用下，將電壓耦合到變壓器次級(jí)，經(jīng)整流、濾波得到輸出電壓，同時(shí)由后端的誤差放大器與前端的脈寬調(diào)制器相結(jié)合對(duì)耦合電壓進(jìn)行校正，得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。如圖1。

其中IC1為PWM控制芯片，IC2為光電耦合器，IC3為誤差取樣放大器。圖1就是一個(gè)單端正激式原理圖，Vcc為輸入32V電壓，GND1為輸入地線，Vo為輸出5V電壓。GND2為輸出地線。L1、C1、C2、R1組成一個(gè)簡(jiǎn)易的電磁兼容設(shè)計(jì)；R1、R2、D4、Q2組成一個(gè)簡(jiǎn)易的穩(wěn)壓電源，專給IC1供電。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上采用標(biāo)準(zhǔn)6線腔體直插金屬全密封外殼，材料選用可伐合金（4J29），表面有鍍鎳層用于防鹽霧要求。產(chǎn)品采用引線鍍金，玻璃絕緣子隔離的平行縫焊外殼；內(nèi)部板與外殼內(nèi)引線采用雙股鍍銀銅絲焊接方式進(jìn)行連接，外殼使用平行縫焊結(jié)構(gòu)；元器件采取必要的降額設(shè)計(jì)，表貼元件即功率裸芯片采用再流焊工藝，使產(chǎn)品正常工作時(shí)其內(nèi)部元件有一個(gè)合理的熱應(yīng)力環(huán)境。

圖1 電路原理圖

3.3 工藝設(shè)計(jì)

該電路采用金屬外殼、厚膜混合集成再流焊組裝工藝，內(nèi)腔采用裸芯片粘接、金絲球焊鍵合工藝，封裝采用平行縫焊工藝。

4 關(guān)鍵問題的解決

4.1 電路模式

體積結(jié)構(gòu)小，僅有27．3mm×27．3mm×5．9mm，特別是5．9mm的高度，對(duì)電路的設(shè)計(jì)造成很大困難。既要保證滿足各項(xiàng)功能指標(biāo)，保證輸出功率，還要滿足用戶要求的各種環(huán)境試驗(yàn)要求，電路設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)。經(jīng)過多方討論與試驗(yàn)，采用高密度陶瓷基板厚膜電路印刷，裸芯片器件、小尺寸電容及高度只有4mm的磁材進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過三次版圖參數(shù)的設(shè)計(jì)修正，解決了電路模式的問題。

4.2 效率問題

受到總高度的限制，該產(chǎn)品內(nèi)部只能放下4mm高的磁材，產(chǎn)品技術(shù)要求效率要大于75%，保證該指標(biāo)的批量合格率具有相當(dāng)大的難度。由于磁材小，內(nèi)部使用面積有限，采用最大化降低各個(gè)損耗點(diǎn)的損耗，累積法提高效率，選擇合適的漆包線在既定磁材下找到匝比與匝數(shù)的最佳結(jié)合點(diǎn)，最終使產(chǎn)品效率可以達(dá)到78%以上，解決了產(chǎn)品的效率問題。

5 結(jié)語(yǔ)

該產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)和試用，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)滿足用戶使用要求，得到了用戶認(rèn)可。該產(chǎn)品在峰值期間供貨超過8000只，值得推廣。