卓轩电源高性能模块电源的设计思路

高性能模块电源要求的输入电压为20～35V，输出电压为10～10.2 V、5～－5.2 V，工作温度为-55℃～＋125℃，负载调整率和电压调整率均小于1%，输出纹波小于40 Mv。下面简单介绍下该模块电源的电路、变压器、可靠性、工艺设计等方面。

模块电源电路设计：

在模块电源设计中，对于两路输出功率不相称的模块来说，其设计重要有两种方法：一是采用变压器绕组，并行使耦合电感和低压稳压电路进行二次稳压方法。二是采用变压器次级多绕组来分别输出两路相对自力的电压。其中方法一虽然可以进步电路的稳固度，保证输出电压的精度，但是会增长电路的损耗，由于二次稳压电路的输入和输出电压差越小，稳压电路功耗就越小。

 

该项目两路输出功率相差很大，分别为55W和2.5 W，主路功率转变范围也较大。而若采用方法二，又因为反馈只能控制一起电压，所以只能有一起输出电压的精度得到保证，另一起电压只能靠变压器和滤波电感预稳，而主路输出功率转变较大又必然带来辅路变压器次级电压的较大转变，因而无法保证输出电压的精度。为此，本设计采用两路输出来分别自力地控制和反馈，如许既可以正确控制输出电压，又可以减小因二次稳压带来的损耗。

 

模块电源变压器设计：

设计变压器时，应首先合理选择磁芯材料。磁芯材料需考虑的最重要因数是它在工作频率处的损耗和应用磁通密度。确定了电源模块工作频率后，即可根据制造商提供的手册确定材料的详细型号，然后查出模块在最恶劣使用环境条件下的磁通饱和密度，再由此确定使用最大磁通密度，以保证变压器始终不会工作在饱和点dc dc电源模块，进步模块的可靠性。确定了详细的磁芯型号、外形和尺寸后，便可以查到该型号在125℃时的磁通饱和密度Bs，然后根据降额设计选择最大磁通密度为0.2Bs，在确定BMAX后，就可以根据下式计算出变压器的原边匝数：

 

上式中Kf为波形系数（方波时为4），为开关频率（Hz）。Ae是磁芯有用面积（m2），BMAX为磁通密度（T），Vi为输入电压（V），Np为原边匝数。由原边匝数便可计算出变压器的副边匝数：

 

上式中Np为副边匝数，ViIN为原边最小输人电压。因为和变压器相干的损耗重要有磁滞、涡流和电阻损耗。磁滞损耗与绕组的匝数有关，它决定了每个工作周期磁场力所作的功。该损耗可以由下式给出：

 

上式中Kh瓦为材料的磁滞损耗常数，Vc是磁芯体积，单位cm3，fSW为开关频率，单位为Hz，BMAX是最大工作磁通密度，单位T。

 

损耗与开关频率和工作磁通密度最大值的二次方成正比。因此，在设计时，应在优选具有高导磁率、高频损耗小的磁芯作变压器磁芯的前提下，还要合理设定BMAX，并通过合理设计匝数来减小变压器的磁滞损耗。

 

模块电源反馈补偿电路的设计：

负反馈环是开关电源的核心部分，它保持输出电压的恒定重要是通过采用偏差放大器来减小输出电压与理想参考电压的偏差，从而实现这一功能的。因为现实应用中存在负载转变和输入电压转变，所以要求偏差放大器对这些转变能有快速相应，并且不会因此产生振荡而造成整个体系的不稳固。

 

模块电源设计偏差放大器补偿电路应遵循以下原则：

首先在所有增益大于0dB的频率处，其闭环相位应不超过－360°，在现实设计中，一样平常选择小于300°。闭环增益的穿越频率尽可能高网站seo优化，直流增益尽可能大，如许有利于进步体系的调节精度和瞬态相应。最后，闭环增益曲线的斜率应以－20Db/dec降落。因为不同电源采用的控制体例不同，响应的补偿体例也不同。本文采用电流型控制体例，采用的补偿体例为极点一零点补偿。这种补偿方法在直流处有一个极点，可通过进步偏差放大器的开环增益来改善输出调节性能。在输出滤波器最低极点频率或以下处引入一个零点，可以补偿滤波器极点引起的相位滞后。

 

因为采用两路输出分别自力控制和反馈的电路比较复杂，组装密度较高，所以，引线之间、引线和元器件之间、引线与机壳之间的干扰必然增大。另外，该电路工作在开关状况，各单元电路之间因有脉动电流和噪声，因此容易通过电源内阻、引线等公共阻抗形成耦合噪声。 设计时首先可在电路中增设滤波环节来克制耦合噪声，另外可在导线布局上尽量减小公共阻抗，合理设置接地点，并减小电源内阻来降低噪声，同时可将旌旗灯号线与噪声源及流过脉动电流的引线星散，以削弱耦合噪声。

 

其次，应在设计中尽可能降低噪声的产生，开关二极管反向恢复时间里引起的短路尖峰电流是造成模块噪声的重要缘故原由。该设计时可采用反向恢复时间较快的肖特基二极管，并根据详细输出情况合理选型，适当降额设计也可较好的克制噪声。对于高频变压器工作时产生的噪声，可在电源模块设计中采用去耦和屏蔽的方法来降低干扰。

 

模块电源可靠性设计：

因为要求该产品的质量等级高，因此，产品不仅要通过鉴定QCI检验河南人事考试网，还要通过QML检验。试验条件按GJB548A－96和GJB2438A－2002要求进行。本产品所经受的试验相称严格，因为要求产品在全温范围－55℃～＋125℃内长期可靠地工作，所以，无论从电路设计照旧工艺结构上，都要考虑到可靠性设计。

 

模块电源可靠性优化设计：

从设计上考虑，电路结构要尽量简化，既要实现电路性能，又要简化元器件的品种与数量，减小因元器件的失效造成可靠性的降低。其次，初步设计完成后还要采用可靠性综合分析软件进行分析和验证，发现不足之处，再进行改进和进步。最后合理设计各项参数，使产品工作在最佳状况。

 

模块电源降额设计：

元器件的电应力包括电流应力及电压应力，元器件的降额设计能有用进步产品的可靠性。降额系数一样平常为0.5～0.8倍。例如输入电压为1 6～40V，采用的输入电容器的额定电压为50V，且应具有2.5倍的耐压能力。输出电压为5V，采用的整流二极管反向耐压为45 V。输出电压为10 V，所选用的整流二极管的反向耐压为100 V等等。

 

模块电源热设计：

因为DC-DC模块电源为功率模块，产品又要在125℃下长期可靠工作，因此，热设计至关紧张。设计时可采用热分析软件及红外热像仪进行分析、设计、改进。其详细技术措施如下：

1、输入/输出滤波回路可采用可靠性较高的片状独石电容器来庖代传统的钽电容，以避免钽电容在高温下失效。

2、尽量进步产品的服从。可选用低功耗的元器件，变压器的合理化设计可有用减小产品的内部功耗，同时削减产品的温升。产品在小型化设计时，在布局上，热源要均匀分布，例如VMOS管、整流管等热源，以避免热量集中于产品的某一局部。

3、热源与基片、基片与外壳间要充分地接触，可采用载流焊体例，而不要采用粘接体例，如许可削减热阻，避免产品的热积累。

 

模块电源工艺设计：

1、工艺上可采用厚膜多层布线工艺，布线层数在三层以上，线宽与线间距可在200μm，电路中的电阻一样平常应选用膜层电阻，并采用激光修调技术使阻值达到电路设计要求。

 

2、因为该产品是高壳温125℃产品，水汽含量的控制是一个难点。通过对相干设备的改造和工艺研究，以及对真空烘烤工艺参数进行的反复实验，可以得到合适的数据，以有用地控制封口时的气氛，使水气含量小于5000 pm，氧含量小于2000 pm，从而确保产品长期使用的可靠性。

 

3、在模块电源的内部结构中，基板与外壳、基板与元器件之间均存在肯定的温度应力。为了知足产品的高等级要求，需对应力集中点和抗机械强度进行分析。通过基板外观金属化设计和对基板外观膜层厚度进行控制，基板与底座之间可以知足上述应力条件。通过对相干元器件的合理选型以及对体积较大器件采用合理的焊接工艺，也可有用地解决元件与基板之间的粘接强度题目。

 

在模块电源的内部结构中，体积最大、重量最重的元器件就是变压器和电感，因为其磁性材料脆性大、易碎，它与A12O3基板之间的热膨胀系数相差也较大。因此，在设计上，内部结构可采用基板对称分布，来把变压器和电感直接粘接在底座上。如许一来可避免温度应力带来的开裂，二来可缩小基片面积，从而避免在基板局部形成不平衡的重力点而导致基板在机械冲击中开裂，三来也对变压器的散热有益处。

 

4、通过选用合适的导电胶和环氧胶，以便对工艺参数、操作程序和各种胶与粘接元件之间的匹配特征进行研究和优化，也可以达到高可靠粘接的目的。例如针对变压器来说，选用一种合适的粘接胶来粘接变压器，不仅会有肯定的抗拉强度，还具备肯定的韧性，其温度特征与磁罐材料相匹配也能确保磁罐在温度循环中不开裂。

 

5、优化焊接和键合技术。应对不同型号的焊膏，焊锡丝的组成成分、强度特征和温度系数进行对比和分析雷亚架，以确定最佳的焊接材料，从而确保焊接元件的高可靠性。对25μm Au和200μmA1丝工艺进行试验，可以确定以固化，同时也可以避免金铝丝键合的失效。