高可靠性與超寬環(huán)境溫度的混合集成DC/DC變換器的設(shè)計(jì)
2)主變壓器的磁芯選擇
此電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使其在+125℃高溫中穩(wěn)定可靠地工作。此電源的體積要求為30mm× 20mm×8mm,由于體積的限制所以主變壓器磁芯的尺寸選擇也不可能過大。因此以下二點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)考慮。
——提高工作頻率,此電源的工作頻率設(shè)定為400kHz左右;
——優(yōu)選主變壓器磁芯,優(yōu)選原則如下。
①飽和磁通密度Bs(mT)要高(>500);
②剩磁Br(mT)要小(100);
③居里點(diǎn)Qc(℃)要高(>200);
④電阻率ρ(Ω·cm)要高(>600);
⑤磁導(dǎo)率(通常大磁場(chǎng)下振幅磁導(dǎo)率或交直流疊加下增量磁導(dǎo)率)要適當(dāng)?shù)馗撸?gt;2 000);
⑥磁芯損耗Pc(mW/cm3)要?。?00),最關(guān)鍵的是要求其具有負(fù)溫度系數(shù),以利于高溫穩(wěn)定工作。
眾所周知在高頻與高磁通密度下,磁芯總損耗Pc為
Pc=kfmBn(7)
式中:k——常數(shù);
f——工作開關(guān)頻率;
B——工作磁通密度;
n——指數(shù),對(duì)于功率鐵氧體材料,典型值為25;
m——指數(shù),在f=10~100kHz時(shí),應(yīng)考慮渦流損耗,此時(shí)m=1.3,當(dāng)頻率提高到100kHz上時(shí),m要增大。
由式(7)可見,提高工作磁通密度,磁芯損耗將以25次方增加引起變壓器升溫,因此變壓器設(shè)計(jì)時(shí),磁芯損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時(shí)提高開關(guān)頻率,磁芯損耗也要相應(yīng)增加,所以在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí),磁芯損耗200mW/cm3是一個(gè)適宜的限制值。在規(guī)定的磁芯損耗下,提高工作頻率必須相應(yīng)降低工作磁通密度值。
3)磁芯的尺寸考慮
眾所周知,磁芯有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達(dá)式為
P=CfΔBJFCUSaSe(8)
式中:C—與變換器工作方式有關(guān)的常數(shù),如推挽式C=1;單端正激式,C=0.71;單端反激式,C=0.61。
J—電流密度;
FCU—銅占因子;
Sa—窗口面積;
Se—磁芯有效載面積。
功率變壓器磁芯形狀應(yīng)考慮大電流引出線及散熱容易,對(duì)高頻變壓器還應(yīng)考慮屏蔽,防止雜散磁場(chǎng)干擾。關(guān)于磁芯損耗(PC)與溫升的關(guān)系,可用式(9)表示。
PC=ΔT/Rth(9)
式中:ΔT—磁芯溫升;
Rth—熱阻。
降低熱阻可提高磁芯的功率承受能力;而熱阻又近似地與磁芯表面積成反比。因此在磁芯形狀設(shè)計(jì)中加大背部或外翼尺寸,將它變寬變薄,使暴露的鐵氧體面積增大,可以降低熱阻。
4)單端正激式開關(guān)電源變壓器計(jì)算
單端正激式開關(guān)電源變壓器與反激式開關(guān)電源變壓器磁芯都是單向激磁,要求磁芯脈沖磁感應(yīng)增量大。但是變壓器初級(jí)工作次級(jí)也同時(shí)工作,因此,計(jì)算方法和步驟又與雙極性開關(guān)電源變壓器接近。
初級(jí)繞組匝數(shù)N1計(jì)算式為N1=×10-2(10)
式中:Vp1——變壓器輸入額定電壓幅值,此電源標(biāo)稱電壓值為27V;
ton——開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,此電源設(shè)定為1μs;
ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量,此電源設(shè)定為0.2T;
Ac——磁芯截面積,所選磁材為PC40EPC10—Z,其截面積為9.39×10-2cm2。
按上述所選值求得N1=13。次級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算在此不再贅述。
5)各二極管的選擇
在一般軍品電源中,整流二極管都選擇肖特基二極管,因其具有低壓降和超高速的雙重優(yōu)點(diǎn)。但是,此電源設(shè)計(jì)工作溫度為+125℃(長(zhǎng)期),+150℃(短期),已經(jīng)接近肖特基二極管的容許結(jié)溫,因此肖特基二極管在此電源中無法使用,只能選擇硅二極管。選擇的主要參數(shù)為:最大峰值工作電流Ifsm>0.5A,反向電壓Vrrm>100V,反向恢復(fù)時(shí)間trr50ns。這樣才能保證電源在要求的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。
4電源的生產(chǎn)工藝與全面質(zhì)量管理
生產(chǎn)工藝采用先進(jìn)的厚膜混合集成生產(chǎn)工藝。厚膜電路的優(yōu)點(diǎn)主要是無源元件的參數(shù)范圍廣,精度較高,性能穩(wěn)定可靠,元件間絕緣良好,高頻特性好,易于制造出高壓、大電流和大功率電路,電路設(shè)計(jì)靈活性大,可多層布線。由厚膜生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出無源元件和半導(dǎo)體技術(shù)制作的IC,MSI,LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成電路,可進(jìn)一步提高集成度和實(shí)現(xiàn)多功能化。此特種電源從元器件采購、元器件入廠篩選,再到我廠的貫軍標(biāo)厚膜生產(chǎn)線生產(chǎn)的全過程實(shí)施全程管理,全程化生產(chǎn)工藝控制,從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量,此電源現(xiàn)已使用到了國家軍工重點(diǎn)工程上,并得到了使用廠家的好評(píng)。
5結(jié)語
本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、此特種電源的原則和注意事項(xiàng),尤其是將可靠性提高到了應(yīng)有的高度,使大家認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的可靠性不但是生產(chǎn)出來的,而且更重要是設(shè)計(jì)出來的。此觀點(diǎn)和本文所提出的原則和注意事項(xiàng)不但可以應(yīng)用到電源設(shè)計(jì)上,而且也可以應(yīng)用到任何種類的電子產(chǎn)品的研制生產(chǎn)當(dāng)中去。
評(píng)論