高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计 〔转贴〕

高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计 〔转贴〕
高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计
王其岗

(国营第七四九厂,甘肃天水741000)

摘要:电源,特别是在国防上应用的电源,由于其环境条件的恶劣,从而对电源性能的要求也愈来愈严格.介绍一种作者为国家级重点军品项目开发、研制的,具有超宽工作环境温度(-60℃~+125℃,150℃短时间工作3min)和高可靠性、高频率的厚膜混合集成DC/DC电源变换器,并提出设计此特种电源所要遵守的原则及注意事项.关键词:高可靠性;超宽环境温度;特种电源;开关电源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中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:0219- 2713(2002)10-0539-05

1引言

近年来电源设备日趋复杂,元器件的品种和数量增加很快,使用环境也变得恶劣多样,而所服务的电子系统又越来越重要和昂贵,特别是军用装备,尤其是航空、航天上的元器件及系统可靠性的要求就更高了.开关电源向着高频、高可靠、低耗,低噪声、抗干扰和模块化的方向发展,供电方式由集中供电向分布式供电发展.DC/DC变换器的需求越来越大,同时对可靠性提出了更高的要求.采用厚膜混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性.本文介绍一种作者为我国重点军品项目研制、开发、生产的高可靠、超宽工作环境温度(-60℃~+125℃)的特种厚膜化电源.并提出研究此特种电源所要遵守的原则及注意事项,尤其是围绕此特种电源进行的可靠性设计.

此厚膜混合集成化电源YH12D12的主要技术指标如下:

1)输入电压18~36V.

2)输出电压±(12±0.5)V.

3)输入电压调整率1.5%.

4)输出电压温度系数0.025%/℃.

5)最大输出电流±70mA.

6)工作环境温度-60℃~125℃.

7)环境老化要求低温-55℃,高温+125℃.

8)温度循环-55℃~125℃,5次.

9)高温功率老化125℃、96h,150℃、3min.

10)机械冲击试验恒定加速度49000m/s2,1min.

11)振动试验0~2000kHz.

12)随机振动试验功率谱密度为功能试验

0.07g2/Hz,结构试验0.09g2/Hz.

13)外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊.

2可靠性设计

21可靠性的定义

国际上,通用的可靠性定义为:在规定环境条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力.此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元.由于故障出现的随机性质,用数学方式来描述可靠性,常用“概率”来表示.从而,引出可靠度[R(t)]的定义:系统在规定环境条件下和规定时间内,完成规定功能的概率.

如系统在开始(t=0)时有n0个元件在工作,而在时间为t时仍有n个元件在正常工作,则可靠性R(t)=0R(t)1(1)失效率λ(t)=-()(2)

(λ的单位为FITS=10-9失效/h)

λ定义为该种产品在单位时间内的故障数,即λ=dn/dt.

如失效率λ为常数,则=-λt(3)

n=n0e-λt(4)

R(t)=e-λt0
涉及系统可靠性的因素很多.目前,人们认识上的主要误区是把可靠性完全(或基本上)归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计对于可靠性的决定性的作用.据美国海军电子实验室的统计,整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所列.

表1整机出现故障的原因故障原因占总失效数的百分比/%
设计上的原因元器件质量上的原因操作和维护上的原因制造上的原因40302010
在民用电子产品领域,日本的统计资料表明,可靠性问题80%源于设计方面.(日本把元器件的选型,质量级别的确定,元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因).总之,对系统的设计者而言,需明确建立“可靠性”这个重要概念,把系统的可靠性引为重要的技术指标,认真对待可靠性的设计工作,并采取足够的提高可靠性的措施,才能使系统和产品达到稳定、优质的目标.

此特种电源的主要设计难点在于在有限的空间内(电源小型化要求)制造出能够在125℃ 环境温度下长期稳定、可靠工作的DC/DC电源.而电源产品不可避免地要消耗能量使自身发热.一般来说,如果电源具有输出功率在1~2W之间,且多路输出(双路以上),并且要求输出隔离等特点,则此类电源的最高效率仅为65%左右,即就是说要有近一半的能量消耗在电源自身,使电源发热.

元器件实际工作中的负荷率与失效率之间存在着直接的关系.因而,元器件的类型,数值确定以后,应从可靠性的角度来选择元器件必须满足的额定值,如元器件的额定功率、额定电压、额定电流等.

22环境温度及负荷率对可靠性的影响

从以下的资料可以看到,元器件的环境温度和使用负荷对于可靠性的影响是如何巨大.

1)半导体器件(含各种集成电路和二极管、三极管)

例如硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计(PD:使用功率,PR:额定功率),则环境温度对可靠性的影响,如表2所列.

表2环境温度对半器件可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10-9h]500250015000
由表2可知,当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时,失效率增加了30倍.

环境温度Ta=50℃,PD/PR对失效率的影响如表3所列.

表3PD/PR对硅半导体器件失效率的影响PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10-9h]3050150700250070002000070000
由表3可知,当PD/Pn=0.8时,失效率比0.2时增加了1000倍以上.

为了提高产品的可靠性,抵消由于+125℃高温环境所引起的失效率的增加,此类特种电源的硅半导体器件和FET器件的使用负荷设定小于0.1.

2)电容器(以固体钽电容器为例)

以UD/UR=0.6设计(UD:使用电压,UR:额定电压),则环境温度对可靠性的影响如表 4所列.

图1元器件失效率的盆底曲线

表4环境温度对电容器可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10-9h]52570
由表4可知,当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时,失效率增加了14倍.

英国曾发表电容器失效率λ正比于工作电压的5次方的资料,称为“五次定律”,即λ ∝U5.

当U=UR/2,

λ=λR/25=λR/32(λR为额定失效率)

即电容器工作电压降低到额定值的50%时,失效率可以减小32倍之多.

3)碳膜电阻器

以PD/PR=0.5设计,则环境温度对可靠性的影响如表5所列.

表5环境温度对碳膜电阻器可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/109h]124
由表5可知,当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时,失效率增加了4倍.

碳膜电阻器使用于军品的数据如表6所列.

表6PD/PR对碳膜电阻器失效率的影响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,当PD/PR=0.8时,失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍.

23失效率曲线

元器件失效率的盆底曲线如图1所示.

失效率λ与工作时间的关系为

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,可用筛选老化来淘汰早期失效的元器件.

2)有效工作期

λ低而固定,元器件因多种不同原因而失效.

3)寿命结束期

λ高而迅速上升,大部分元器件因损耗而失效.

24经验数据

实际使用中的经验数据为

——半导体元器件负荷率应在0.3左右;而此电源使用负荷设定小于0.2.

——电容器负荷率(工作电压和额定电压之比)最好在0.5左右,一般不要超过0.8;而此电源使用负荷设定小于0.5,并且尽量使用无极性电容器.

——电阻器、电位器、负荷率≤0.5.而此电源使用厚膜烧结电阻,可靠性将更高.

总之,对各种元器件的负荷率只要有可能,一般应保持在≤0.3.不得已时,通常也应 ≤0.5.

25可靠性设计原则

综上所述,我们可以得出设计此特种电源的可靠性设计原则.

首先将此电源视为一个复杂的电子系统工程,视为由几个子单元组成的较大电子系统.提高它的可靠性主要从下几方面(其重要性依次递减)入手.

1)对于关键元器件,采用并联方式,保证此单元有足够的冗余度

如图2所示的R1、R6;C9、C11.

2)原则上要尽一切可能减少元器件使用数目经过多次试验验证R11、C8、D6完全可以去掉.

3)在同等体积下尽量采用高额度的元器件例如T1、V1、L1、L2、L3.

4)选用高质量等级的元器件IC1、IC2、DZ1选用特军级.

5)原则上不选用电解质电容尽量选用无极性

介质电容.例如:C2、C5、C6、C7.

6)没有接线或连接器采用厚膜混合技术.

7)品质检查(进行老化、在线验测,执行ISO9000系列标准)进厂后还要经过严格的老化、筛选.

上述七个方面便是此电源选用元器件的原则.

3电源工作方式与关键元器件的选择

31电源工作方式的选择

两种不同的电源工作方式比较情况如表7所示.

表7电流反馈单端正激式电源和电压反馈

推挽式电源的比较电流反馈单端正激式电源电压反馈推挽式电源元器件数少较多
工作频率提高容易(最高可大于800kHz)不容易(250kHz)
高低温稳定性很好一般
功率密度较高低
工作应力较小大
振荡过冲很小较大
过流保护自带外加
从表7的对比我们不难看出,电流反馈单端正激式的突出优点在于

1)高频率工作下的低应力;

2)同样功率的电源所用的元器件较少;

3)因为其为电流反馈式,使其先天地具有高、低温稳定性强于电压反馈式的优点.

此电源原理图如图2所示.

32关键元器件的选择

1)主电路1843的选择

一般似乎认为,只要是1843它都应当满足在全温度范围(-55℃~+125℃)内的所有主要技术指标,如基准电压的稳定度,设定的振荡频率等,但在实际中往往不是这样.在占空比D=50%,脚6模拟负载R=75Ω,C=2200pF,R,C并联的实验条件下,振荡频率稳定度的实验结果如表8所示.

从表8我们不难看出以下几点:

——对3843来讲,高温参数的严重漂移应在情理之中,因为在此高温下其技术指标不能满足稳定度的要求,特别应该注意的是,同为UC3843,不同年份生产的同类产品其性能指标也存在巨大的差异.

——对1843来讲,不同生产厂家的产品,其振荡频率高温稳定性也同样存在较大的差异.这一点更应当引起各位同行,特别是军品生产单位同仁们的注意.在高温下基本振荡频率的严重漂移,所带来最直接的后果是不言而喻的.它已经严重破坏了电源本身的基本参数(主变压器的工作特性)使电源在高温下无法正常工作.

2)主变压器的磁芯选择

此电源的设计重点是使其在+125℃高温中稳定可靠地工作.此电源的体积要求为30mm× 20mm×8mm,由于体积的限制所以主变压器磁芯的尺寸选择也不可能过大.因此以下二点应重点考虑.

——提高工作频率,此电源的工作频率设定为400kHz左右;

——优选主变压器磁芯,优选原则如下.

①饱和磁通密度Bs(mT)要高(>500);

②剩磁Br(mT)要小(<100);

③居里点Qc(℃)要高(>200);

④电阻率ρ(Ω·cm)要高(>600);

⑤磁导率(通常大磁场下振幅磁导率或交直流叠加下增量磁导率)要适当地高(>2 000);

⑥磁芯损耗Pc(mW/cm3)要小(<600),最关键的是要求其具有负温度系数,以利于高温稳定工作.

众所周知在高频与高磁通密度下,磁芯总损耗Pc为

Pc=kfmBn(7)

式中:k——常数;

f——工作开关频率;

B——工作磁通密度;

n——指数,对于功率铁氧体材料,典型值为25;

m——指数,在f=10~100kHz时,应考虑涡流损耗,此时m=1.3,当频率提高到100kHz上时,m要增大.

由式(7)可见,提高工作磁通密度,磁芯损耗将以25次方增加引起变压器升温,因此变压器设计时,磁芯损耗限制值也限定了最高工作磁通密度.同时提高开关频率,磁芯损耗也要相应增加,所以在进行变压器设计时,磁芯损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值.在规定的磁芯损耗下,提高工作频率必须相应降低工作磁通密度值.

3)磁芯的尺寸考虑

众所周知,磁芯有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率.德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式为

P=CfΔBJFCUSaSe(8)

式中:C—与变换器工作方式有关的常数,如推挽式C=1;单端正激式,C=0.71;单端反激式,C=0.61.

J—电流密度;

FCU—铜占因子;

Sa—窗口面积;

Se—磁芯有效载面积.

功率变压器磁芯形状应考虑大电流引出线及散热容易,对高频变压器还应考虑屏蔽,防止杂散磁场干扰.关于磁芯损耗(PC)与温升的关系,可用式(9)表示.

PC=ΔT/Rth(9)

式中:ΔT—磁芯温升;

Rth—热阻.

降低热阻可提高磁芯的功率承受能力;而热阻又近似地与磁芯表面积成反比.因此在磁芯形状设计中加大背部或外翼尺寸,将它变宽变薄,使暴露的铁氧体面积增大,可以降低热阻.

4)单端正激式开关电源变压器计算

单端正激式开关电源变压器与反激式开关电源变压器磁芯都是单向激磁,要求磁芯脉冲磁感应增量大.但是变压器初级工作次级也同时工作,因此,计算方法和步骤又与双极性开关电源变压器接近.

初级绕组匝数N1计算式为N1=×10-2(10)

式中:Vp1——变压器输入额定电压幅值,此电源标称电压值为27V;

ton——开关管导通时间,此电源设定为1μs;

ΔBm——脉冲磁感应增量,此电源设定为0.2T;

Ac——磁芯截面积,所选磁材为PC40EPC10—Z,其截面积为9.39×10-2cm2.

按上述所选值求得N1=13.次级绕组匝数计算在此不再赘述.

5)各二极管的选择

在一般军品电源中,整流二极管都选择肖特基二极管,因其具有低压降和超高速的双重优点.但是,此电源设计工作温度为+125℃(长期),+150℃(短期),已经接近肖特基二极管的容许结温,因此肖特基二极管在此电源中无法使用,只能选择硅二极管.选择的主要参数为:最大峰值工作电流Ifsm>0.5A,反向电压Vrrm>100V,反向恢复时间trr<50ns.这样才能保证电源在要求的环境温度范围内正常工作.

4电源的生产工艺与全面质量管理

生产工艺采用先进的厚膜混合集成生产工艺.厚膜电路的优点主要是无源元件的参数范围广,精度较高,性能稳定可靠,元件间绝缘良好,高频特性好,易于制造出高压、大电流和大功率电路,电路设计灵活性大,可多层布线.由厚膜生产工艺生产出无源元件和半导体技术制作的IC,MSI,LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成电路,可进一步提高集成度和实现多功能化.此特种电源从元器件采购、元器件入厂筛选,再到我厂的贯军标厚膜生产线生产的全过程实施全程管理,全程化生产工艺控制,从而保证了产品的质量,此电源现已使用到了国家军工重点工程上,并得到了使用厂家的好评.

5结语

本文详细介绍了设计、生产、此特种电源的原则和注意事项,尤其是将可靠性提高到了应有的高度,使大家认识到产品的可靠性不但是生产出来的,而且更重要是设计出来的.此观点和本文所提出的原则和注意事项不但可以应用到电源设计上,而且也可以应用到任何种类的电子产品的研制生产当中去.

作者简介

王其岗,男,1990年7月毕业于西安电子科技大学,同年分配到七四九厂,现为高级工程师,至今一直从事各种类型的开关电源及各类功能模块的研究和开发工作.现主要研究方向为混合厚膜化、高频小型化、高功率密度等各类DC/DC开关电源,为我国多种重点军工项目配套研究开发了各类开关电源模块.