高可靠性與超寬環境溫度的混合集成DC/DC變換器的設計

2）主變壓器的磁芯選擇

此電源的設計重點是使其在＋125℃高溫中穩定可靠地工作。此電源的體積要求為30mm× 20mm×8mm，由于體積的限制所以主變壓器磁芯的尺寸選擇也不可能過大。因此以下二點應重點考慮。

——提高工作頻率，此電源的工作頻率設定為400kHz左右；

——優選主變壓器磁芯，優選原則如下。

①飽和磁通密度Bs（mT）要高（>500）；

②剩磁Br（mT）要?。?00）；

③居里點Qc（℃）要高（>200）；

④電阻率ρ（Ω·cm）要高（>600）；

⑤磁導率（通常大磁場下振幅磁導率或交直流疊加下增量磁導率）要適當地高（>2 000）；

⑥磁芯損耗Pc（mW/cm3）要?。?00），最關鍵的是要求其具有負溫度系數，以利于高溫穩定工作。

眾所周知在高頻與高磁通密度下，磁芯總損耗Pc為

Pc=kfmBn（7）

式中：k——常數；

f——工作開關頻率；

B——工作磁通密度；

n——指數，對于功率鐵氧體材料，典型值為25；

m——指數，在f=10～100kHz時，應考慮渦流損耗，此時m=1.3，當頻率提高到100kHz上時，m要增大。

由式（7）可見，提高工作磁通密度，磁芯損耗將以25次方增加引起變壓器升溫，因此變壓器設計時，磁芯損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時提高開關頻率，磁芯損耗也要相應增加，所以在進行變壓器設計時，磁芯損耗200mW/cm3是一個適宜的限制值。在規定的磁芯損耗下，提高工作頻率必須相應降低工作磁通密度值。

3）磁芯的尺寸考慮

眾所周知，磁芯有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達式為

P=CfΔBJFCUSaSe（8）

式中：C—與變換器工作方式有關的常數，如推挽式C=1；單端正激式，C=0.71；單端反激式，C=0.61。

J—電流密度；

FCU—銅占因子；

Sa—窗口面積；

Se—磁芯有效載面積。

功率變壓器磁芯形狀應考慮大電流引出線及散熱容易，對高頻變壓器還應考慮屏蔽，防止雜散磁場干擾。關于磁芯損耗（PC）與溫升的關系，可用式（9）表示。

PC=ΔT/Rth（9）

式中:ΔT—磁芯溫升；

Rth—熱阻。

降低熱阻可提高磁芯的功率承受能力；而熱阻又近似地與磁芯表面積成反比。因此在磁芯形狀設計中加大背部或外翼尺寸，將它變寬變薄，使暴露的鐵氧體面積增大，可以降低熱阻。

4）單端正激式開關電源變壓器計算

單端正激式開關電源變壓器與反激式開關電源變壓器磁芯都是單向激磁，要求磁芯脈沖磁感應增量大。但是變壓器初級工作次級也同時工作，因此，計算方法和步驟又與雙極性開關電源變壓器接近。

初級繞組匝數N1計算式為N1=×10－2(10)

式中：Vp1——變壓器輸入額定電壓幅值，此電源標稱電壓值為27V；

ton——開關管導通時間，此電源設定為1μs；

ΔBm——脈沖磁感應增量，此電源設定為0.2T；

Ac——磁芯截面積，所選磁材為PC40EPC10—Z，其截面積為9.39×10－2cm2。

按上述所選值求得N1=13。次級繞組匝數計算在此不再贅述。

5）各二極管的選擇

在一般軍品電源中，整流二極管都選擇肖特基二極管，因其具有低壓降和超高速的雙重優點。但是，此電源設計工作溫度為＋125℃（長期），＋150℃（短期），已經接近肖特基二極管的容許結溫，因此肖特基二極管在此電源中無法使用，只能選擇硅二極管。選擇的主要參數為：最大峰值工作電流Ifsm>0.5A，反向電壓Vrrm>100V，反向恢復時間trr50ns。這樣才能保證電源在要求的環境溫度范圍內正常工作。

4電源的生產工藝與全面質量管理

生產工藝采用先進的厚膜混合集成生產工藝。厚膜電路的優點主要是無源元件的參數范圍廣，精度較高，性能穩定可靠，元件間絕緣良好，高頻特性好，易于制造出高壓、大電流和大功率電路，電路設計靈活性大，可多層布線。由厚膜生產工藝生產出無源元件和半導體技術制作的IC，MSI，LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成電路，可進一步提高集成度和實現多功能化。此特種電源從元器件采購、元器件入廠篩選，再到我廠的貫軍標厚膜生產線生產的全過程實施全程管理，全程化生產工藝控制，從而保證了產品的質量，此電源現已使用到了國家軍工重點工程上，并得到了使用廠家的好評。

5結語

本文詳細介紹了設計、生產、此特種電源的原則和注意事項，尤其是將可靠性提高到了應有的高度，使大家認識到產品的可靠性不但是生產出來的，而且更重要是設計出來的。此觀點和本文所提出的原則和注意事項不但可以應用到電源設計上，而且也可以應用到任何種類的電子產品的研制生產當中去。