引言

目前，在高端電子設備領域，高等級的DC／DC電源模塊主要還是依賴國外進口，因此，盡快實現高質量等級DC／DC電源模塊國產化迫在眉睫。本文以一種質量等級為H級的DC／DC電源模塊的設計為例，從電路、工藝等方面詳細介紹了H級DC／DC電源模塊的設計思想。

1 模塊主要指標

該DC／DC電源模塊是為整機配套使用的。其要求的輸入電壓為20～35V，輸出電壓為10～10．1V／10～10．2 V（－55℃～＋125CIC）、5～－5．1V／5～－5．2 V（一55℃～＋125℃），負載調整率和電壓調整率均小于1％，輸出紋波電壓小于40 Mv

2 電路設計

2．1 非平衡雙路功率電壓輸出設計 在DC／DC變換器設計

?對于兩路輸出功率不相等的模塊來說，其設計主要有兩種方法：一是采用變壓器繞組，并利用耦合電感和低壓穩壓電路進行二次穩壓方法。二是采用變壓器次級多繞組來分別輸出兩路相對獨立的電壓。其中方法一雖然可以提高電路的穩定度，保證輸出電壓的精度，但是會增加電路的損耗，因為二次穩壓電路的輸入和輸出電壓差越小，穩壓電路功耗就越小，而該項目兩路輸出功率相差很大（分別為55W和2．5 W），主路功率變化范圍也較大。而若采用方法二，又由于反饋只能控制一路電壓，所以只能有一路輸出電壓的精度得到保證，另一路電壓只能靠變壓器和濾波電感預穩，而主路輸出功率變化較大又必然帶來輔路變壓器次級電壓的較大變化，因而無法保證輸出電壓的精度。為此，本設計采用兩路輸出來分別獨立地控制和反饋，這樣既可以精確控制輸出電壓，又可以減小因二次穩壓帶來的損耗。

2．2變壓器的設計

設計變壓器時，應首先合理選擇磁芯材料。磁芯材料需考慮的最主要因數是它在工作頻率處的損耗和應用磁通密度。確定了模塊工作頻率后．即可根據制造商提供的手冊確定材料的具體型號，然后查出模塊在最惡劣使用環境條件下的磁通飽和密度，再由此確定使用最大磁通密度，以保證變壓器始終不會工作在飽和點，提高模塊的可靠性。

如果設定的工作頻率為500 kHz，通過手冊可以查到：TDK公司的PC40，PC95系列以及SIEMENS公司的N67系列都可以滿足要求。確定了具體的磁芯型號、形狀和尺寸后，便可以查到該型號在125℃時的磁通飽和密度Bs，然后根據降額設計選擇最大磁通密度為0．2Bs，在確定BMAX后，就可以根據下式計算出變壓器的原邊匝數：

式中，Kf為波形系數（方波時為4），為開關頻率（Hz）；Ae是磁芯有效面積（m2），BMAX為磁通密度（T），Vi為輸入電壓（V），Np為原邊匝數。

由原邊匝數便可計算出變壓器的副邊匝數：

式中，Np為副邊匝數，ViIN為原邊最小輸人電壓。由于和變壓器相關的損耗主要有磁滯、渦流和電阻損耗。磁滯損耗與繞組的匝數有關。它決定了每個工作周期磁場力所作的功。該損耗可以由下式給出：

式中，Kh瓦為材料的磁滯損耗常數，Vc是磁芯體積，單位cm3，fSW為開關頻率，單位為Hz，BMAX是最大工作磁通密度，單位T。

由（3）式所見，損耗與開關頻率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在設計時，應在優選具有高導磁率、高頻損耗小的磁芯作變壓器磁芯的前提下，還要合理設定BMAX，并通過合理設計匝數來減小變壓器的磁滯損耗。

2．3反饋補償電路的設計

眾所周知，負反饋環是開關電源的核心部分，它保持輸出電壓的恒定主要是通過采用誤差放大器來減小輸出電壓與理想參考電壓的誤差，從而實現這一功能的。由于實際應用中存在負載變化和輸入電壓變化，所以要求誤差放大器對這些變化能有快速響應，并且不會因此產生振蕩而造成整個系統的不穩定。

設計誤差放大器補償電路應遵循以下原則：首先在所有增益大于0dB的頻率處，其閉環相位應不超過－360°，在實際設計中，一般選擇小于300°；其次，閉環增益的穿越頻率盡可能高，直流增益盡可能大，這樣有利于提高系統的調節精度和瞬態響應；最后，閉環增益曲線的斜率應以－20Db／dec下降。

由于不同電源采用的控制方式不同，相應的補償方式也不同，本文采用電流型控制方式，采用的補償方式為極點一零點補償。其電路如圖1所示。這種補償方法在直流處有一個極點，可通過提高誤差放大器的開環增益來改善輸出調節性能。在輸出濾波器最低極點頻率或以下處引入一個零點，可以補償濾波器極點引起的相位滯后。

由于采用兩路輸出分別獨立控制和反饋的電路比較復雜，組裝密度較高，所以，引線之間、引線和元器件之間、引線與機殼之間的干擾必然增大；另外，該電路工作在開關狀態，各單元電路之間因有脈動電流和噪聲，因此容易通過電源內阻、引線等公共阻抗形成耦合噪聲。

設計時首先可在電路中增設濾波環節來抑制耦合噪聲，另外可在導線布局上盡量減小公共阻抗，合理設置接地點，并減小電源內阻來降低噪聲，同時可將信號線與噪聲源及流過脈動電流的引線分離，以減弱耦合噪聲。

其次應在設計中盡可能降低噪聲的產生。開關二極管反向恢復時間里引起的短路尖峰電流是造成模塊噪聲的主要原因。該設計時可采用反向恢復時間較快的肖特基二極管，并根據具體輸出情況合理選型，適當降額設計也可較好的抑制噪聲。對于高頻變壓器工作時產生的噪聲，可在模塊設計中采用去耦和屏蔽的方法來降低干擾。該模塊的輸出紋波峰峰值小于40 mV。

3 產品的可靠性設計

由于要求該產品的質量等級為H級，因此，產品不僅要通過鑒定QCI檢驗，還要通過QML檢驗。試驗條件按GJB548A－96和GJB2438A－2002要求進行。QML的主要試驗條件如表1所列。

由表1可見，本產品所經受的試驗相當嚴酷。由于要求產品在全溫范圍（－55℃～＋125℃）內長期可靠地工作，所以，無論從電路設計還是工藝結構上，都要考慮到可靠性設計。

3．1 可靠性優化設計

首先，從設計上考慮，電路結構要盡量簡化，既要實現電路性能，又要簡化元器件的品種與數量，減小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次，初步設計完成后還要采用可靠性綜合分析軟件進行分析和驗證，發現不足之處，再進行改進和提高。最后合理設計各項參數，使產品工作在最佳狀態。

3．2 降額設計

元器件的電應力包括電流應力及電壓應力。元器件的降額設計能有效提高產品的可靠性。降額系數一般為0．5～0．8倍。如輸入電壓為1 6～40V，采用的輸入電容器的額定電壓為50V，且應具有2．5倍的耐壓能力；輸出電壓為5V，采用的整流二極管反向耐壓為45 V；輸出電壓為10 V，所選用的整流二極管的反向耐壓為100 V等。

3．3 熱設計

由于DC／DC變換器為功率模塊，產品又要在125℃下長期可靠工作，因此，熱設計至關重要。設計時可采用熱分析軟件及紅外熱像儀進行分析、設計、改進。其具體技術措施如下：

（1）輸入／輸出濾波回路可采用可靠性較高的片狀獨石電容器來取代傳統的鉭電容，以避免鉭電容在高溫下失效；

（2）盡量提高產品的效率?？蛇x用低功耗的元器件，變壓器的合理化設計可有效減小產品的內部功耗，同時減少產品的溫升。產品在小型化設計時，在布局上，熱源要均勻分布（如VMOS管、整流管等熱源），以避免熱量集中于產品的某一局部；

（3）熱源與基片、基片與外殼間要充分地接觸，可采用載流焊方式，而不要采用粘接方式，這樣可減少熱阻，避免產品的熱積累；

3．4 工藝上的可靠性設計

為了滿足產品各種應力試驗的要求，可通過以下幾方面來進行工藝設計：

（1）工藝上可采用厚膜多層布線工藝，布線層數在三層以上，線寬與線間距可在200μm，電路中的電阻一般應選用膜層電阻，并采用激光修調技術使阻值達到電路設計要求。

（2）由于該產品是高殼溫（125℃）產品，水汽含量的控制是一個難點。通過對相關設備的改造和工藝研究，以及對真空烘烤工藝參數進行的反復實驗，可以得到合適的數據，以有效地控制封口時的氣氛，使水氣含量小于5000 pm；氧含量小于2000 pm，從而確保產品長期使用的可靠性。

（3）在DC／DC變換器的內部結構中，基板與外殼、基板與元器件之間均存在一定的溫度應力。為了滿足產品的H級要求，需對應力集中點和抗機械強度進行分析。通過基板表面金屬化設計和對基板表面膜層厚度進行控制，基板與底座之間可以滿足上述應力條件。通過對相關元器件的合理選型以及對體積較大器件采用合理的焊接工藝，也可有效地解決元件與基板之間的粘接強度問題。 在DC／DC變換器的內部結構中，體積最大、重量最重的元器件就是變壓器和電感，由于其磁性材料脆性大、易碎，它與A12O3基板之間的熱膨脹系數相差也較大，因此，在設計上，內部結構可采用基板對稱分布，來把變壓器和電感直接粘接在底座上。這樣一來可避免溫度應力帶來的開裂；二來可縮小基片面積，從而避免在基板局部形成不平衡的重力點而導致基板在機械沖擊中開裂：三來也對變壓器的散熱有好處。

（4）通過選用合適的導電膠和環氧膠，以便對工藝參數、操作程序和各種膠與粘接元件之間的匹配特性進行研究和優化，也可以達到高可靠粘接的目的；例如針對變壓器來說，選用一種合適的粘接膠來粘接變壓器，不僅會有一定的抗拉強度，還具備一定的韌性，其溫度特性與磁罐材料相匹配也能確保磁罐在溫度循環中不開裂。

（5）優化焊接和鍵合技術。應對不同型號的焊膏，焊錫絲的組成成分、強度特性和溫度系數進行對比和分析，以確定最佳的焊接材料，從而確保焊接元件的高可靠性；對25μm Au和200μmA1絲工藝進行試驗，可以確定以固化，同時也可以避免金鋁絲鍵合的失效。

4 驗證結果

目前，該產品已順利通過信息產業部五所的直接QML檢驗，并已通過鑒定。其產品的主要技術指標和實測指標比較如表2所列。