高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的设计

2）主变压器的磁芯选择

此电源的设计重点是使其在＋125℃高温中稳定可靠地工作。此电源的体积要求为30mm× 20mm×8mm，由于体积的限制所以主变压器磁芯的尺寸选择也不可能过大。因此以下二点应重点考虑。

——提高工作频率，此电源的工作频率设定为400kHz左右；

——优选主变压器磁芯，优选原则如下。

①饱和磁通密度Bs（mT）要高（>500）；

②剩磁Br（mT）要小（100）；

③居里点Qc（℃）要高（>200）；

④电阻率ρ（Ω·cm）要高（>600）；

⑤磁导率（通常大磁场下振幅磁导率或交直流叠加下增量磁导率）要适当地高（>2 000）；

⑥磁芯损耗Pc（mW/cm3）要小（600），最关键的是要求其具有负温度系数，以利于高温稳定工作。

众所周知在高频与高磁通密度下，磁芯总损耗Pc为

Pc=kfmBn（7）

式中：k——常数；

f——工作开关频率；

B——工作磁通密度；

n——指数，对于功率铁氧体材料，典型值为25；

m——指数，在f=10～100kHz时，应考虑涡流损耗，此时m=1.3，当频率提高到100kHz上时，m要增大。

由式（7）可见，提高工作磁通密度，磁芯损耗将以25次方增加引起变压器升温，因此变压器设计时，磁芯损耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同时提高开关频率，磁芯损耗也要相应增加，所以在进行变压器设计时，磁芯损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值。在规定的磁芯损耗下，提高工作频率必须相应降低工作磁通密度值。

3）磁芯的尺寸考虑

众所周知，磁芯有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率。德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式为

P=CfΔBJFCUSaSe（8）

式中：C—与变换器工作方式有关的常数，如推挽式C=1；单端正激式，C=0.71；单端反激式，C=0.61。

J—电流密度；

FCU—铜占因子；

Sa—窗口面积；

Se—磁芯有效载面积。

功率变压器磁芯形状应考虑大电流引出线及散热容易，对高频变压器还应考虑屏蔽，防止杂散磁场干扰。关于磁芯损耗（PC）与温升的关系，可用式（9）表示。

PC=ΔT/Rth（9）

式中:ΔT—磁芯温升；

Rth—热阻。

降低热阻可提高磁芯的功率承受能力；而热阻又近似地与磁芯表面积成反比。因此在磁芯形状设计中加大背部或外翼尺寸，将它变宽变薄，使暴露的铁氧体面积增大，可以降低热阻。

4）单端正激式开关电源变压器计算

单端正激式开关电源变压器与反激式开关电源变压器磁芯都是单向激磁，要求磁芯脉冲磁感应增量大。但是变压器初级工作次级也同时工作，因此，计算方法和步骤又与双极性开关电源变压器接近。

初级绕组匝数N1计算式为N1=×10－2(10)

式中：Vp1——变压器输入额定电压幅值，此电源标称电压值为27V；

ton——开关管导通时间，此电源设定为1μs；

ΔBm——脉冲磁感应增量，此电源设定为0.2T；

Ac——磁芯截面积，所选磁材为PC40EPC10—Z，其截面积为9.39×10－2cm2。

按上述所选值求得N1=13。次级绕组匝数计算在此不再赘述。

5）各二极管的选择

在一般军品电源中，整流二极管都选择肖特基二极管，因其具有低压降和超高速的双重优点。但是，此电源设计工作温度为＋125℃（长期），＋150℃（短期），已经接近肖特基二极管的容许结温，因此肖特基二极管在此电源中无法使用，只能选择硅二极管。选择的主要参数为：最大峰值工作电流Ifsm>0.5A，反向电压Vrrm>100V，反向恢复时间trr50ns。这样才能保证电源在要求的环境温度范围内正常工作。

4电源的生产工艺与全面质量管理

生产工艺采用先进的厚膜混合集成生产工艺。厚膜电路的优点主要是无源元件的参数范围广，精度较高，性能稳定可靠，元件间绝缘良好，高频特性好，易于制造出高压、大电流和大功率电路，电路设计灵活性大，可多层布线。由厚膜生产工艺生产出无源元件和半导体技术制作的IC，MSI，LSI等芯片作二次集成就形成了厚膜混合集成电路，可进一步提高集成度和实现多功能化。此特种电源从元器件采购、元器件入厂筛选，再到我厂的贯军标厚膜生产线生产的全过程实施全程管理，全程化生产工艺控制，从而保证了产品的质量，此电源现已使用到了国家军工重点工程上，并得到了使用厂家的好评。

5结语

本文详细介绍了设计、生产、此特种电源的原则和注意事项，尤其是将可靠性提高到了应有的高度，使大家认识到产品的可靠性不但是生产出来的，而且更重要是设计出来的。此观点和本文所提出的原则和注意事项不但可以应用到电源设计上，而且也可以应用到任何种类的电子产品的研制生产当中去。