高可靠性與超寬環境溫度的混合集成DC/DC變換器的設計

摘要：電源，特別是在國防上應用的電源，由于其環境條件的惡劣，從而對電源性能的要求也愈來愈嚴格。介紹一種作者為國家級重點軍品項目開發、研制的，具有超寬工作環境溫度（－60℃～＋125℃，150℃短時間工作3min）和高可靠性、高頻率的厚膜混合集成DC/DC電源變換器，并提出設計此特種電源所要遵守的原則及注意事項。關鍵詞：高可靠性；超寬環境溫度；特種電源；開關電源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中圖分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219－ 2713(2002)10－0539－05

1引言

近年來電源設備日趨復雜，元器件的品種和數量增加很快，使用環境也變得惡劣多樣，而所服務的電子系統又越來越重要和昂貴，特別是軍用裝備，尤其是航空、航天上的元器件及系統可靠性的要求就更高了。開關電源向著高頻、高可靠、低耗，低噪聲、抗干擾和模塊化的方向發展，供電方式由集中供電向分布式供電發展。DC/DC變換器的需求越來越大，同時對可靠性提出了更高的要求。采用厚膜混合集成電路的形式既能使電路小型化又能達到高可靠性。本文介紹一種作者為我國重點軍品項目研制、開發、生產的高可靠、超寬工作環境溫度（－60℃～＋125℃）的特種厚膜化電源。并提出研究此特種電源所要遵守的原則及注意事項，尤其是圍繞此特種電源進行的可靠性設計。

此厚膜混合集成化電源YH12D12的主要技術指標如下：

1）輸入電壓18～36V。

2）輸出電壓±（12±0.5）V。

3）輸入電壓調整率1.5％。

4）輸出電壓溫度系數0.025％/℃。

5）最大輸出電流±70mA。

6）工作環境溫度－60℃～125℃。

7）環境老化要求低溫－55℃，高溫＋125℃。

8）溫度循環－55℃～125℃，5次。

9）高溫功率老化125℃、96h，150℃、3min。

10）機械沖擊試驗恒定加速度49000m/s2，1min。

11）振動試驗0～2000kHz。

12）隨機振動試驗功率譜密度為功能試驗

0.07g2/Hz，結構試驗0.09g2/Hz。

13）外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊。

2可靠性設計

21可靠性的定義

國際上，通用的可靠性定義為：在規定環境條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個系統，也適用于一臺設備或一個單元。由于故障出現的隨機性質，用數學方式來描述可靠性，常用“概率”來表示。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定環境條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。

如系統在開始（t=0）時有n0個元件在工作，而在時間為t時仍有n個元件在正常工作，則可靠性R(t)=0R(t)1（1）失效率λ(t)=－()（2）

（λ的單位為FITS=10－9失效/h）

λ定義為該種產品在單位時間內的故障數，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數，則=－λt（3）

n=n0e－λt（4）

R(t)=e－λt0t工作壽命（5）MTBF（平均無故障時間）=（6）

涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計對于可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所列。

表1整機出現故障的原因故障原因占總失效數的百分比/％
設計上的原因元器件質量上的原因操作和維護上的原因制造上的原因40302010
在民用電子產品領域，日本的統計資料表明，可靠性問題80％源于設計方面。（日本把元器件的選型，質量級別的確定，元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。總之，對系統的設計者而言，需明確建立“可靠性”這個重要概念，把系統的可靠性引為重要的技術指標，認真對待可靠性的設計工作，并采取足夠的提高可靠性的措施，才能使系統和產品達到穩定、優質的目標。

此特種電源的主要設計難點在于在有限的空間內（電源小型化要求）制造出能夠在125℃ 環境溫度下長期穩定、可靠工作的DC/DC電源。而電源產品不可避免地要消耗能量使自身發熱。一般來說，如果電源具有輸出功率在1～2W之間，且多路輸出（雙路以上），并且要求輸出隔離等特點，則此類電源的最高效率僅為65％左右，即就是說要有近一半的能量消耗在電源自身，使電源發熱。

元器件實際工作中的負荷率與失效率之間存在著直接的關系。因而，元器件的類型，數值確定以后，應從可靠性的角度來選擇元器件必須滿足的額定值，如元器件的額定功率、額定電壓、額定電流等。

22環境溫度及負荷率對可靠性的影響

從以下的資料可以看到，元器件的環境溫度和使用負荷對于可靠性的影響是如何巨大。

1）半導體器件（含各種集成電路和二極管、三極管）

例如硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計（PD：使用功率，PR：額定功率），則環境溫度對可靠性的影響，如表2所列。

表2環境溫度對半器件可靠性的影響環境溫度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]500250015000
由表2可知，當環境溫度Ta[℃]從20℃增加到80℃時，失效率增加了30倍。

環境溫度Ta=50℃，PD/PR對失效率的影響如表3所列。

表3PD/PR對硅半導體器件失效率的影響PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10－9h]3050150700250070002000070000
由表3可知，當PD/Pn=0.8時，失效率比0.2時增加了1000倍以上。

為了提高產品的可靠性，抵消由于＋125℃高溫環境所引起的失效率的增加，此類特種電源的硅半導體器件和FET器件的使用負荷設定小于0.1。

2）電容器（以固體鉭電容器為例）

以UD/UR=0.6設計（UD：使用電壓，UR：額定電壓），則環境溫度對可靠性的影響如表 4所列。

圖1元器件失效率的盆底曲線