高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计

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

HighReliabilityandSuperwideAmbientTemperature

WANGQigangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhighreliabilityandhighfrequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuperwideoperatingambienttemperature isfrom－60℃to＋125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Superwideambienttemperature;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

21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)=0R(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－λt0t工作寿命（5）MTBF（平均无故障时间）=（6）

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