1引言
隨著武器系統的發展，電子設備趨向小型化，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，是當今乃至今后高可靠DC/DC變換器的發展方向。
HB2805S15是輸出電壓5V電流3A的混合集成DC/DC變換器，采用厚膜工藝、磁隔離方式進行混合集成，封裝形式與Interpoint公司的MHV系列相同。
2電路方案
2．1主要技術指標
HB2805S15的主要技術指標見表1。
表1主要技術指標
| 項目 | 參數指標 | 單位 |
|---|---|---|
| 輸入電壓范圍 | 18～36 | V |
| 輸出電壓 | 5.0 | V |
| 輸出電流 | 3 | A |
| 輸出電壓紋波 | ≤50 | mV |
| 電壓調整率 | ≤0.15 | ％ |
| 負載調整率 | ≤0.3 | ％ |
| 效率 | ≥80 | ％ |
| 工作溫度范圍 | －55～＋85 | ℃ |
2．2電路結構方案
DC/DC拓撲類型主要有：降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、反相型(Buck－Boost)、反激型(Flyback)、正激型(Forward)和零電壓（ZVS）零電流（ZCS）型。中小功率的DC/DC電源變換器一般采用單端正激型和雙端推挽型的拓撲結構。
單端正激型結構簡單，元器件少，雙端推挽型是將兩個單端正激型合并，變壓器工作在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率，消除了單端正激的不利因素。
反饋隔離方式有光電隔離和脈沖變壓器隔離。光電耦合器受溫度的影響大，頻帶窄；脈沖變壓器隔離的溫度穩定性好，可靠性高，頻帶寬，是高可靠DC/DC電源變換器優先采用的方式。
本電路采用雙端推挽變壓器隔離反饋式，原理圖如圖1。
圖1雙端推挽變壓器隔離反饋原理圖
圖2推挽式變換器電路及其相關波形
2．3電路工作原理
雙端推挽DC/DC變換器的基本電路結構及其工作波形如圖2所示。
開關管Q1，Q2在PWM控制器的控制下交替導通，將變壓器的初級電流和電壓傳遞到次級，經整流濾波后輸出直流電壓，調節Q1，Q2的導通/截止時間，可改變輸出電壓。雙端推挽DC/DC變換器的輸出電壓可表示為：
VO=DVi(1)
式中：VO——輸出電壓，V；
Vi——輸入電壓，V；
D——整流管的占空比；
Np——變壓器初級匝數，匝；
Ns——變壓器次級匝數，匝。
3電路設計
3．1主要元器件
DC/DC變換器的主要元器件是脈寬調制器PWM、變壓器、隔離反饋電路以及開關管和整流管。HB2805S15的PWM選用UC1825A，隔離放大器選用UC1901，變壓器和電感選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。
UC1825A是電壓／電流型PWM控制器，輸出峰值電流2A，開關頻率可達到1MHz，誤差放大器的單位增益帶寬12MHz，具有逐個脈沖電流限制，軟起動和最大占空比可設置，可用于雙端推挽DC/DC變換器。
UC1901隔離放大器是一個脈沖幅度調制（AM）電路，它包括基準源、誤差放大器、振蕩器、乘法器，最高振蕩頻率5MHz。
PC40系列是TDK公司的產品，其導磁率高，高頻損耗小。
3．2開關頻率定時元件計算
開關頻率高，元器件的開關損耗大，影響效率η；開關頻率低不利于小型化，經過計算和實驗，開關頻率定為300kHz。UC1825A的定時元件電阻和電容由式（2）和（3）計算確定：
RT=(2)
CT=(3)
式中：RT——定時電阻，Ω；
CT——定時電容，F；
Dmax——最大占空比；
f——開關頻率，Hz。
3．3元器件設計
（1）變壓器的設計
變壓器是DC/DC變換器的重要元件，主要技術參數是初次級匝數比(n=Np／Ns)和初次級的電感量（Lp，Ls）。變壓器的初級匝數和次級匝數由下式得到：
Np≥(4)
Ns=(5)
式中：Vimax——最大輸入電壓，V；
Vimin——最小輸入電壓，V；
Bm——飽和磁通密度，T；
Ae——磁芯截面積，m2；
VF——整流管正向壓降，V；
VO——輸出電壓，V。
（2）輸出部分的設計
輸出部分主要是輸出電感L和輸出電容C構成的LC低通網絡，電感量和電容值由下式求得：
L≥(6)
式中：ΔIL——電感脈動電流（一般取值ΔIL=(10％
～25％）IOmax），A；
Dmin——最小占空比。
C≥（F）(7)
式中：ΔVOmax——輸出最高紋波電壓，V。
（3）開關管和整流管
開關管的最大電流IPmax由下式求得：
IPmax=(IOmax＋)＋IM(8)
式中：IM——勵磁電流，A；
IOmax——變壓器最大輸出電流，A；
開關管耐壓VB：
VB≥2Vi(9)
整流管的最大峰值電流IFM：
IFM≥IOmax＋(10)
整流管的反向截止電壓VRR：
VRR≥2
即：VRR≥2Vimax(11)
本電路輸出電壓低電流大，選用肖特基整流管。
4可靠性設計
主要對電路中的功率元器件進行降額設計和版圖的熱設計。
4．1功率元器件的降額設計
由3．3節中的設計公式計算出各元器件的實際要求數值，按降額等級（Ⅰ級）選取元器件。
（1）磁性元件的設計
變壓器和濾波電感是DC/DC變換器的主要發熱源，承載著很大的功率，本電路選用TDK的PC40材料系列的罐型磁芯。
PC40材料的主要參數：
導磁率μ=2300
居里溫度Tc≥215℃
飽和磁通密度Bs=5100Gas(25℃)
Bs=3900Gas(100℃)
電路設計中變壓器磁通密度的實際取值是Bs=1600Gas，達到Ⅰ級降額標準。
（2）整流管
肖特基二極管是以多數載流子工作的整流器件，具有很好的開關特性，它的正向壓降（VF）小，且隨溫度的升高而降低，可降低整流管導通損耗，有利于提高輸出電壓低時的電路效率。
本電路的輸出電壓5V，輸出電流3A，因此選用肖特基10TQ045，它的最大電流（IFRM）10A，反向重復峰值電壓（VRRM）45V，符合Ⅰ級降額標準。
（3）開關管
功率MOSFET具有開關速度快，損耗低，驅動電流小，無二次擊穿現象，過載能力強，抗干擾能力強等優點，廣泛地用于高頻開關電源。
當輸入電壓為低壓18V時，流過開關管的峰值電流取IP=3A；輸入為最高電壓36V時，源漏電壓VDS=2×36＋V尖峰（V尖峰是由變壓器漏感產生的）。
選用IRF630，最大漏極電流ID=9A，VDS耐壓200V，符合Ⅰ級降額設計。
4．2版圖的熱設計
減小熱阻，提高效率，電路的可靠性才能提高。電路的發熱元器件主要是開關管(MOSFET)、變壓器、整流管和電感等，設計上從三個方面采取了措施：
（1）在版圖上合理分布熱源，將以上元器件分開擺放；
（2）采用新工藝，減小熱阻，開關管、整流管采用再流焊工藝，粗鋁絲壓焊，變壓器、電感器和基片采用導熱膠粘接；
（3）基片材料選用高導熱率的基片，增加熱傳導。
5工藝技術
電路采用厚膜交叉布線工藝、導帶雙層金加厚工藝，焊接區設計為鈀銀（PaAg）加厚。采用MQ10—10全金屬縫焊平行封裝，它的氣密性好，封裝時不產生金屬異物，PIND通過率高于錫封焊，可靠性高。
版圖設計時充分要考慮組裝工藝，合理的版圖設計可減小深腔組裝的技術難度。
變壓器和電感器是DC/DC變換器的重要元件，繞制時嚴格控制匝數和電感量，保證誤差在一定的范圍，滿足電路的要求。
6研制結果
高可靠混合集成HB2805S15DC/DC變換器完成了研制，并進行了批量的生產，通過了質量一致性考核（例試）實驗。電路的測試數據見表2，表3列出了電路實際達到的主要技術指標。
圖3電路（滿載）加電和（滿載）斷電時的動態響應
(a)加電（Vi=0→28VVO=5VIO=3A）
(b)斷電（Vi=28V→0V）
圖4電路的輸出電壓紋波噪聲
表2HB2805S159911批測試數據
| 項目 | 9911－2＃ | 9911－41＃ | 9911－49＃ | 9911－35＃ |
|---|---|---|---|---|
| 效率η（％） | 80.07 | 80.02 | 80.01 | 80.00 |
| 負載調整率SI（％） | 0.16 | 0.15 | 0.18 | 0.10 |
| 電壓調整率SV（％） | 0.02 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 輸出紋波Vpp(mV) | 5 | 5 | 7 | 7 |
表3電路達到的主要技術指標
| 項目 | 設計目標值 | 實際達到值 |
|---|---|---|
| 效率η（％） | ≥80 | ≥80 |
| 負載調整率SI（％） | ≤0.3 | <0.2 |
| 電壓調整率SV（％） | ≤0.15 | <0.03 |
| 輸出紋波Vpp(mV) | ≤50 | <10 |
圖3是電路（滿載）加電和（滿載）斷電時的響應波形。圖4是電路的輸出電壓紋波噪聲。
7結語
通過HB2805S15的研制，掌握了混合集成DC/DC變換器電路設計技術，相繼研制開發5W系列、15W系列、30W系列、70W系列約15個品種的高可靠混合集成DC/DC電源變換器。