对电路中的功率元器件进行降额设计和版图的热设计。
4.1功率元器件的降额设计
由3.3节中的设计公式计算出各元器件的实际要求数值,按降额等级(Ⅰ级)选取元器件。
(1)磁性元件的设计
变压器和滤波电感是DC/DC变换器的主要发热源,承载着很大的功率,本电路选用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。
PC40材料的主要参数:
导磁率μ=2300
居里温度Tc≥215℃
饱和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)
Bs=3900Gas(100℃)
电路设计中变压器磁通密度的实际取值是Bs=1600Gas,达到Ⅰ级降额标准。
(2)整流管
肖特基二极管是以多数载流子工作的整流器件,具有很好的开关特性,它的正向压降(VF)小,且随温度的升高而降低,可降低整流管导通损耗,有利于提高输出电压低时的电路效率。
本电路的输出电压5V,输出电流3A,因此选用肖特基10TQ045,它的最大电流(IFRM)10A,反向重复峰值电压(VRRM)45V,符合Ⅰ级降额标准。
(3)开关管
功率MOSFET具有开关速度快,损耗低,驱动电流小,无二次击穿现象,过载能力强,抗干扰能力强等优点,广泛地用于高频开关电源。
当输入电压为低压18V时,流过开关管的峰值电流取IP=3A;输入为最高电压36V时,源漏电压VDS=2×36+V尖峰(V尖峰是由变压器漏感产生的)。
选用IRF630,最大漏极电流ID=9A,VDS耐压200V,符合Ⅰ级降额设计。
4.2版图的热设计
减小热阻,提高效率,电路的可靠性才能提高。电路的发热元器件主要是开关管(MOSFET)、变压器、整流管和电感等,设计上从三个方面采取了措施:
(1)在版图上合理分布热源,将以上元器件分开摆放;
(2)采用新工艺,减小热阻,开关管、整流管采用再流焊工艺,粗铝丝压焊,变压器、电感器和基片采用导热胶粘接;
(3)基片材料选用高导热率的基片,增加热传导。
5工艺技术
电路采用厚膜交叉布线工艺、导带双层金加厚工艺,焊接区设计为钯银(PaAg)加厚。采用MQ10—10全金属缝焊平行封装,它的气密性好,封装时不产生金属异物,PIND通过率高于锡封焊,可靠性高。
版图设计时充分要考虑组装工艺,合理的版图设计可减小深腔组装的技术难度。
变压器和电感器是DC/DC变换器的重要元件,绕制时严格控制匝数和电感量,保证误差在一定的范围,满足电路的要求。
6研制结果
高可靠混合集成HB2805S15DC/DC变换器完成了研制,并进行了批量的生产,通过了质量一致性考核(例试)实验。电路的测试数据见表2,表3列出了电路实际达到的主要技术指标。
图3电路(满载)加电和(满载)断电时的动态响应
(a)加电(Vi=0→28VVO=5VIO=3A)
(b)断电(Vi=28V→0V)
图4电路的输出电压纹波噪声
表2HB2805S159911批测试数据
项目 | 9911-2# | 9911-41# | 9911-49# | 9911-35# |
---|
效率η(%) | 80.07 | 80.02 | 80.01 | 80.00 |
---|
负载调整率SI(%) | 0.16 | 0.15 | 0.18 | 0.10 |
---|
电压调整率SV(%) | 0.02 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
---|
输出纹波Vpp(mV) | 5 | 5 | 7 | 7 |
---|
表3电路达到的主要技术指标 项目 | 设计目标值 | 实际达到值 |
---|
效率η(%) | ≥80 | ≥80 |
---|
负载调整率SI(%) | ≤0.3 | 0.2 |
---|
电压调整率SV(%) | ≤0.15 | 0.03 |
---|
输出纹波Vpp(mV) | ≤50 | 10 |
---|
图3是电路(满载)加电和(满载)断电时的响应波形。图4是电路的输出电压纹波噪声。 7结语
通过HB2805S15的研制,掌握了混合集成DC/DC变换器电路设计技术,相继研制开发5W系列、15W系列、30W系列、70W系列约15个品种的高可靠混合集成DC/DC电源变换器。