一種適用于DC/DC變換器大功率外殼的設計

潘建男，于長存

北京七星華創微電子有限責任公司，北京，100020

0 引言

該電路類型為混合集成電路，設計時對標進口65W～150W功率產品進行設計，此種外殼為扁平側出針的結構，通常應用于大功率DC/DC變換器[1]產品中。原外殼結構設計中，產品內部引針出針長度均為1.5mm，功率引腳采用粗銅線手工焊接在內引出針端頭、控制引腳采用金絲壓焊的方式實現引線與基片的電氣連接，不僅操作難度大，而且引針容易受到機械應力導致玻璃絕緣子受到損傷，影響到產品的氣密性；外殼兩端由于整體安裝法蘭的存在，外出針與整機板連接時需要一段比較長的銅線才能實現連接，長銅線主要是保證銅線與外殼底部的安裝法蘭存在一定的安全間距，避免焊接時造成引針與外殼短路的風險。由于DC/DC變換器傳統功率外殼存在以上缺點，本文通過對外殼結構的重新設計、對內部組裝工藝的更改，保證了內、外部的有效連接、組裝更便捷、可靠性更高。

1 基本工作原理

電路輸入端經過π型濾波電路，部分電流為控制芯片啟動時供電（當電源模塊處于穩態工作時，芯片工作所需電流由功率轉換電路提供），主功率大電流經過模塊電源的功率回路，控制芯片通過調整功率電路中開關管在固定周期里的導通時間，將直流輸入變為可控的脈動電流，該電流流經變壓器初級側，通過改變變壓器的初次級線圈匝數比，在變壓器的輸出側得到合適的脈動方波電壓，該電壓經整流濾波后得到帶有交流分量的直流電壓。交流分量的頻率與主開關管的開關頻率相同。整流后的輸出電壓信號通過反饋電路將反饋信號提供給控制器，控制器通過監測該信號調整主開關管的導通時間，整個系統為負反饋系統，以此達到穩定輸出電壓的目的。

此DC/DC變換器電路主要采用正激拓撲結構，輸入電壓為16～40V（標稱28V），可實現9V穩定輸出電壓，最大工作電流為6.6A，開關頻率為400kHz～500kHz，且內置禁止功能和短路保護功能。禁止端高電平、懸空狀態電路輸出正常，禁止端電壓小于0.8V電路無輸出；短路保護功能是指產品在短時間內輸出短路的情況下電路處于自我保護狀態，當短路保護結束后，電路可恢復正常工作。

2 產品組成

本電路主要由輸入濾波、功率轉換、整流濾波、反饋穩壓、電流采樣、PWM控制電路等部分構成。內部各個部分功能如下。

①輸入濾波電路[2]：輸入濾波部分主要是為了抑制反串紋波對電源線的干擾，減小輸入紋波電流，同時抑制電源線波動對負載的干擾，該電路采用π型濾波電路進行濾波。

②功率轉換電路：為正激變換器，含有功率開關、正激變壓器、電感、整流和續流二極管等，輸入電壓通過濾波電路后連接到變壓器的一端，再經過變壓器的原副邊匝比關系將功率電路進行轉換。

③整流濾波電路：由電容與電感組成電容濾波以降低輸出電壓的紋波。整流電路由肖特基二極管組成，利用二極管的單向導電特性將副邊的交流電壓整流成直流脈動電壓，經過一個電容得到平滑的直流電壓。

④反饋穩壓電路：通過TL431和光耦實現輸出電壓隔離反饋。

⑤電流采樣電路：采用電流互感器的采樣方式。

⑥PWM（UC1843）控制電路：輸出電壓反饋信號經UC1843內部誤差放大器的比較運算，由UC1843的1腳COM端輸出，經兩個二極管壓降及電阻分壓后的1/3電壓，與3腳的電流采樣信號進行比較，通過PWM比較器與RS鎖存器、邏輯門等電路處理，產生開關管驅動脈沖，實現輸出電壓的閉環控制。

3 結構設計

該電路采用金屬全密封[3]功率外殼封裝，外殼封裝尺寸：76.33mm×38.23mm×10.16mm；內腔體積約28cm3，管殼材料為10#鋼材質，鍍層為鍍鎳；蓋板材料為4J42，鍍層為鍍鎳；加工工藝采用厚膜混合集成工藝技術；內部充氮氣保護，有效防止了產品由于受潮、氧化、鹽霧、污染所造成的器件失效。外殼側邊保留法蘭盤安裝孔的位置，外引出針正下方的法蘭盤做挖槽處理，內部引出針根據排版走線的需要設計成不同長度的出針，保證了所有內引出針都可以采用焊接支架與基板連接，具體外殼結構見圖1所示。

圖1 外殼結構圖

4 工藝組裝設計

該電路基于厚膜混合集成工藝，內部包含脈寬調制器芯片、場效應管芯片、穩壓器芯片、運算放大器芯片、二極管芯片、三極管芯片、光耦、錫鉛端頭多層瓷介電容器、錫鉛端頭片式厚膜固定電阻器、金端頭片式厚膜固定電阻器、電流互感器、電感、變壓器等器件。設計時采用2塊氧化鋁厚膜陶瓷基片，規格尺寸分別為：33.1mm×25mm×0.635mm、33mm×14mm×0.635mm；表面導體為金和鈀銀導體；包封釉使用在基材和導體表面的非焊接區域；介質使用在上下層導體間，用于兩層導體間的隔離。

器件內部場效應管和肖特基二極管芯片為軟釬焊，光耦為絕緣膠粘接，其余芯片為導電膠粘接；金端頭片式厚膜固定電阻器采用絕緣膠粘接；錫鉛端頭多層瓷介電容器、錫鉛端頭片式厚膜固定電阻器、電流互感器為軟釬焊，均安裝在厚膜基片上；厚膜基片背面通過軟釬焊燒焊在管殼上；變壓器、電感貼殼粘接固定，變壓器引出線端頭采用手工焊接與銅支架連接，銅支架采用再流焊的焊接方式與基板連接，電感中的兩根引出線采用手工焊接工藝通過銅支架與基片連接，另外兩根引出線采用手工焊接工藝直接與基片連接；場效應管的S極和肖特基二極管芯片采用鋁絲超聲鍵合、場效應管的G極采用金絲球焊熱超聲鍵合，其余芯片采用25μm金絲球焊熱超聲鍵合。兩塊氧化鋁厚膜基片通過跨接線（采用手工焊接工藝）進行連接?；逭婧捅趁婢捎密涒F焊料，主要成分為Sn62Pb36Ag2，引出線端頭、跨接線手工焊接焊料成分為Sn63Pb37。

5 輸出效率設計

（1）該產品輸出功率大，在方案設計時選用正激拓撲，正激拓撲開關電源中，變壓器不需要開氣隙，其初級、次級漏感都比較小，相對損耗也會降低，從而提高了產品的轉換效率[4]。

（2）變壓器設計時，選用罐形磁芯P1408（PC50材質），截面積Ae＝0.251cm2；取頻率f＝450kHz，最大磁通密度ΔB=1000GS。

（3）合理設計變壓器的匝比關系，以兼顧系統穩定性、功率器件的應力等，使得每個繞組能均勻平鋪整個窗口；采用三明治繞法，即原邊包副邊的繞制方法，可有效地降低變壓器的漏感，達到提高產品效率的目的；版圖設計上，功率回路走線需要印刷兩遍，以減小產品工作時的導通電阻，提高產品的轉換效率。

6 輸出紋波設計

在現有體積下，參照其他類似產品的經驗，最終選擇一路獨立的PWM控制電路，采用正激拓撲，其正激電感可等效作為輸出端的差模電感，考慮到輸出紋波電壓要求高的問題，主路輸出濾波方式采用LC濾波。版圖設計時，各路的功率地與信號地分開鋪設，且單點連接，避免交叉重疊帶來干擾，同時信號地與功率地的連接點盡量避免在電流回路中，保證信號地不受干擾。優化PWM控制器外圍電路的版圖設計，振蕩電阻RT、振蕩電容CT、電流采樣的低通濾波器、電壓反饋環路補償器就近放置在控制器附近，并遠離功率回路的開關管、整流管、變壓器等干擾源器件，以避免受到干擾。輸出功率回路面積應盡量減小，以避免輻射干擾。

7 可靠性設計

①元器件的選擇：根據產品的電性能及用戶的要求，編寫了各類元器件檢驗技術條件，規定了元器件的生產廠家，元器件的采購和進廠檢驗嚴格按照技術條件進行。所有元器件的供應商為公司合格供應商目錄內的單位。

②可靠性[5]預計：根據電路的工作環境和GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》，其應用環境為環境分類的運輸機無人艙類別AUC，計算出產品的可靠度R=e-λp=0.99999277，滿足用戶技術協議的要求。

③模塊的發熱元器件主要是芯片和電感，在版圖設計時，重點對芯片和電感進行了熱設計的優化?；迳洗蠊β首呔€采用鈀銀導體，且導體印制兩遍，增大與器件焊盤相連接的導體面積，可有效降低器件熱阻，以增強散熱，同時在版圖上均勻分布，使熱源均勻分布，通過版圖的優化設計有效提高了產品的可靠性。

8 測試性情況

為使系統和設備完好、任務成功，以及降低對人力和資源的要求，根據GJB 2547A—2012《裝備測試性大綱》開展了測試性設計工作。因模塊是一個并不復雜的系統，它的測試性[6]較為簡單，借助于穩壓電源、示波器、數字表、專用測試工裝等設備夾具，可以完成測試，及時準確地確定其狀態（可工作、不可工作、性能下降）。模塊在裝入整機后，通過輸出電壓的高低大小，判斷模塊的工作狀態，并有效地識別故障位置，便于維修。

9 關鍵生產工藝攻關情況

①基板設計：本產品由于外形尺寸大，方案設計時選用兩片尺寸不同的白基片做襯底，兩塊基片分別位于外殼的兩邊，這樣可以防止因基片尺寸過大，在力學實驗過程中受力出現裂紋，變壓器、正激電感位于兩片基片中間，該基片的設計不僅增加了一定的排版面積，也能使變壓器、電感等功率器件可直接貼殼散熱。

②工藝組裝：本產品按功率電路設計，基片與外殼間采用再流焊的方式進行組裝。該產品由兩塊大小不同的基片組成，左側基片放置輸入電路，右側基片放置輸出回路，兩個基片中間放置電感與變壓器。

控制部分電容器采用0402、0603尺寸的多層瓷介電容器（錫鉛端頭），組裝工藝為再流焊工藝。為提高產品的裝配合格率與可靠性，將再流焊器件中兩個或多個元器件共用一個焊盤的問題，用包封釉進行隔離處理；電路中元器件焊盤與導體同寬的問題進行焊盤加大處理。該電路的輸出功率大，變壓器采用多股線繞制而成，若直接焊接到基片上，產品在經過溫循、老煉等篩選時，會對焊盤造成不可逆的損傷，嚴重時會導致焊盤脫落，為防止此類問題的發生，增加了變壓器支架設計，即變壓器引出線端頭采用手工焊接與銅支架連接，銅支架采用再流焊的焊接方式與基板連接；銅支架起到了應力釋放的作用。

10 結論

本文設計的大功率DC/DC變換器性能指標達到目標要求，滿足用戶使用需求，并制定了產品詳細規范，該產品關鍵工藝技術問題均已解決，產品配套原材料及輔助材料供貨渠道穩定可靠。產品經公司質保中心所屬的試驗室進行鑒定考核，鑒定檢驗合格。用戶試用試驗合格，滿足整機要求。本產品通過對扁平封裝側出針功率外殼的設計攻關，有效解決了側出針內、外部電氣連接時操作困難、機械應力大的問題，攻關后有效提升了產品的組裝效率和可靠性。