一款可替代XX系列30W电源的DC/DC变换电路
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

一款可替代XX系列30W电源的DC/DC变换电路
作者:孟小娟,何超,孙晨 日期:2018-08-30 

一款可替代XX系列30W电源的DC/DC变换电路
孟小娟,何超,孙晨
(陕西华经微电子股份有限公司 微电路事业部,陕西 西安 710065)
摘要:针对市场对高性能、小体积、大功率密度的DC/DC变换器需求的提高,陕西华经微电子股份有限公司自主立项研发了一款的新产品,其体积比XX系列同功率模块小,性能指标优于XX系列同功率模块。本文主要对该电源进行了介绍。
关键词:功率密度;DC/DC变换器;混合集成
It Can Replace DC/DC Conversion Circuit Of XX Series 30W Power supply
Meng Xiao Juan   He Chao   Sun Chen
(Micro Circuits Division,Shaanxi Huajing Microelectronics Co.,Ltd.,Xian 710065,China)
Abstract:To improve the market demand for DC/DC converters with high performance,small volume and high power density,our company has independently developed a new product。Its volume is smaller than that of XX series and power module,and its performance index is better than XX. The paper mainly introduces power supply.
Key words: power density;DC/DC converter;hybrid intergration
1 概述
近年来随着航空航天领域的拓展,对高性能、小体积、大功率密度的DC/DC变换器的需求日益提高,而对采用厚膜混合集成电路工艺制造的高密度、高可靠的DC/DC变换器的需求更为突出。XX系列电源产品性能优良,可靠性高,适用范围广,在国内广泛应用。但用户在使用中发现该系列产品功率密度小,同等功率产品体积较大,而且成本高,采购困难,尤其军用产品被封锁,H、K级明确禁运。根据这一市场供需,我们公司自主立项研发了小体积新型DC/DC变换器模块,以打破封锁,保障供应。该模块在体积上比XX系列同功率模块小,在性能指标上优于XX系列同功率模块。
2 研制目标
主要技术指标如下:
(1)输入电压(范围):28V(18V~40V);  (2)输出电压(范围):5V(4.9V~5.1V);
(3)输出电流:5A;                      (4)输出功率:25W;
(5)输入/输出隔离:隔离;               (6)外壳外形:JF;
(7)其余要求能实现部分动态指标。
产品的外壳尺寸:37.08x28.70x10.16mm3。采用通用标准的双列直插式平行缝焊壳体UPP3728-08。
3.设计原理与技术难点、关键问题的解决
3.1 工艺设计
根据XX系列电源MTR2805S的主要技术性能指标和原来的成熟工艺以及电源设计的经验,经过周密思考及查阅大量有关资料,结合电路原理以及体积的要求,最终确定工艺上,采用厚膜印刷、裸芯片组装工艺的设计方案。
3.2 结构设计
根据密封要求,选取平行缝焊结构,内部有效面积33×24×8.5mm3。依据尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等要求,根据国产成熟的配套能力和军工生产的现有标准结构,选定标准金属外壳UPP3728-08封装结构。
3.3 电路原理设计
我们需要研制的产品输入为宽电压:18V~40V,输出电压为:5V,输出电流为:5A,要求纹波小、体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点。根据以上分析,单端正激式拓扑模式的优点正好满足我们的需求。因此,我们选用单端正激式、电流控制拓扑模式实现设计要求。
电路原理图见图3。
图3   电路原理图
稳压过程:当输出电压Out+发生变化时,R12、R13取样电压也发生变化,此电压输入基准源N3,与N3内部的基准电压相比较,经过高倍误差放大,转换为电流信号,作用于光耦N2,再经N2内部隔离反馈,通过改变PWM调制器N1的脉宽,调整功率开关管的导通占空比,实现闭环反馈电路,从而达到稳定输出电压的目的。
3.4 技术难点及关键问题的解决
3.4.1电源输出噪声
DC/DC模块电源工作时,其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的,所以开关电源本身就是一个噪声发生源。开关电源按噪声干扰源种类可分为尖峰干扰和谐波干扰两种。要使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法就是采用耗能电路来削弱噪声发生源,或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。
降低纹波主要在电路设计、布图和选件上采取措施。具体有以下几点:
a) 合理排列元件,尽量使电磁干扰平面化,不在立体空间互扰,这样当整个电路封入金属外壳时,会产生最大的屏蔽效果。
b) 布图时强弱信号的地线必须分线布图,集中接地。
c) 使用磁路封闭、漏磁少的电感和变压器。
d) 在变压器初级、次级合理使用阻容吸收网络消除电磁干扰。
3.4.2 产品短路功耗问题
样品生产完成,进行输出短路功耗测试,瞬间短路输出端,用电流表测试输入端电流,经计算短路时模块功耗为13.3W。
上述测试结果明显不符合设计输入要求,我们对产品工作时PWM脉宽调制器各引脚的工作状况进行测试、分析。发现PWM脉宽调制器P3引脚的电压已趋近0.7V,现需要减小P3引脚的电压尖峰,使PWM脉宽调制器不在临界保护状态下工作。经计算,反复试验,调整P3脚(CS)的补偿电路,改变其斜坡补偿量,将R17、R6、C12进行调整、匹配,减少尖峰干扰,产品可稳定工作,测试短路功耗为3W左右,产品其它指标满足产品标准的规定。
4. 产品达到的程度及试验情况
产品完成后,进行了测试以及一系列试验,来测试产品性能指标,质量一致性及可靠性,包含各种试验等,现将主要的几例试验及数据进行介绍。
4.1产品达到的性能指标
与XX系列同功率电源进行指标比较,具体见表1。
表1  XX系列同功率电源与HY2805S25JF主要指标比较
序号 项目 单位 XX系列电源
MTR2805S 华经微电子公司
HY2805S25JF
测试典型值 测试典型值
1 外形尺寸 mm3 53.98x28.58x10.16 37.08x28.70x10.16
2 输出电压 V 5.00 5.00
3 输出电流 A 5 5
4 输出纹波 mV 35 40
5 电压调整度 mV 10 3
6 电流调整度 mV 5 5
7 输入电流1 mA 3 3
8 输入电流2 mA 35 11
9 输入纹波电流 mA 20 15
10 效率 % 78 79
11 输出短路 功耗 W 10max 9max
负载故障恢复时间 ms 1.5 0.8
12 负载瞬变时输出电压变化 mV ±200 80
14 输入瞬变时输出电压变化 mV ±200 150
15 启动过冲 mV 200 80

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