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卓軒電源高性能模塊電源的設計思路

來源: 發布時間:2022-01-08 11:05:48 次瀏覽

高性能模塊電源要求的輸入電壓為20~35V,輸出電壓為10~10.2 V、5~-5.2 V,工作溫度為-55℃~+125℃,負載調整率和電壓調整率均小于1%,輸出紋波小于40 Mv。下面簡單介紹下該模塊電源的電路、變壓器、可靠性、工藝設計等方面。

模塊電源電路設計

模塊電源設計中,對于兩路輸出功率不相稱的模塊來說,其設計重要有兩種方法:一是采用變壓器繞組,并行使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自力的電壓。其中方法一雖然可以進步電路的穩固度,保證輸出電壓的精度,但是會增長電路的損耗,由于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。

 

該項目兩路輸出功率相差很大,分別為55W和2.5 W,主路功率轉變范圍也較大。而若采用方法二,又因為反饋只能控制一起電壓,所以只能有一起輸出電壓的精度得到保證,另一起電壓只能靠變壓器和濾波電感預穩,而主路輸出功率轉變較大又必然帶來輔路變壓器次級電壓的較大轉變,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自力地控制和反饋,如許既可以正確控制輸出電壓,又可以減小因二次穩壓帶來的損耗。

 

模塊電源變壓器設計:

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重要因數是它在工作頻率處的損耗和應用磁通密度。確定了電源模塊工作頻率后,即可根據制造商提供的手冊確定材料的詳細型號,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dc dc電源模塊,進步模塊的可靠性。確定了詳細的磁芯型號、外形和尺寸后,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:

 

上式中Kf為波形系數(方波時為4),為開關頻率(Hz)。Ae是磁芯有用面積(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:

 

上式中Np為副邊匝數,ViIN為原邊最小輸人電壓。因為和變壓器相干的損耗重要有磁滯、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:

 

上式中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。

 

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。

 

模塊電源反饋補償電路的設計

負反饋環是開關電源的核心部分,它保持輸出電壓的恒定重要是通過采用偏差放大器來減小輸出電壓與理想參考電壓的偏差,從而實現這一功能的。因為現實應用中存在負載轉變和輸入電壓轉變,所以要求偏差放大器對這些轉變能有快速相應,并且不會因此產生振蕩而造成整個體系的不穩固。

 

模塊電源設計偏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°,在現實設計中,一樣平常選擇小于300°。閉環增益的穿越頻率盡可能高網站seo優化,直流增益盡可能大,如許有利于進步體系的調節精度和瞬態相應。最后,閉環增益曲線的斜率應以-20Db/dec降落。因為不同電源采用的控制體例不同,響應的補償體例也不同。本文采用電流型控制體例,采用的補償體例為極點一零點補償。這種補償方法在直流處有一個極點,可通過進步偏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。

 

因為采用兩路輸出分別自力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況,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克制耦合噪聲,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,同時可將旌旗燈號線與噪聲源及流過脈動電流的引線星散,以削弱耦合噪聲。

 

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重要緣故原由。該設計時可采用反向恢復時間較快的肖特基二極管,并根據詳細輸出情況合理選型,適當降額設計也可較好的克制噪聲。對于高頻變壓器工作時產生的噪聲,可在電源模塊設計中采用去耦和屏蔽的方法來降低干擾。

 

模塊電源可靠性設計:

因為要求該產品的質量等級高,因此,產品不僅要通過鑒定QCI檢驗河南人事考試網,還要通過QML檢驗。試驗條件按GJB548A-96和GJB2438A-2002要求進行。本產品所經受的試驗相稱嚴格,因為要求產品在全溫范圍-55℃~+125℃內長期可靠地工作,所以,無論從電路設計照舊工藝結構上,都要考慮到可靠性設計。

 

模塊電源可靠性優化設計

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,再進行改進和進步。最后合理設計各項參數,使產品工作在最佳狀況。

 

模塊電源降額設計

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用進步產品的可靠性。降額系數一樣平常為0.5~0.8倍。例如輸入電壓為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等等。

 

模塊電源熱設計

因為DC-DC模塊電源為功率模塊,產品又要在125℃下長期可靠工作,因此,熱設計至關緊張。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。其詳細技術措施如下:

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庖代傳統的鉭電容,以避免鉭電容在高溫下失效。

2、盡量進步產品的服從??蛇x用低功耗的元器件,變壓器的合理化設計可有用減小產品的內部功耗,同時削減產品的溫升。產品在小型化設計時,在布局上,熱源要均勻分布,例如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,可采用載流焊體例,而不要采用粘接體例,如許可削減熱阻,避免產品的熱積累。

 

模塊電源工藝設計:

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,電路中的電阻一樣平常應選用膜層電阻,并采用激光修調技術使阻值達到電路設計要求。

 

2、因為該產品是高殼溫125℃產品,水汽含量的控制是一個難點。通過對相干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,以有用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、在模塊電源的內部結構中,基板與外殼、基板與元器件之間均存在肯定的溫度應力。為了知足產品的高等級要求,需對應力集中點和抗機械強度進行分析。通過基板外觀金屬化設計和對基板外觀膜層厚度進行控制,基板與底座之間可以知足上述應力條件。通過對相干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,也可有用地解決元件與基板之間的粘接強度題目。

 

模塊電源的內部結構中,體積最大、重量最重的元器件就是變壓器和電感,因為其磁性材料脆性大、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。如許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益處。

 

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征進行研究和優化,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,不僅會有肯定的抗拉強度,還具備肯定的韌性,其溫度特征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、強度特征和溫度系數進行對比和分析雷亞架,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。

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