邢变丽
陕西华经微电子股份有限公司， 西安 710065）
摘要：文中针对一种厚膜混合集成高压大功率开关电源电路进行了电路原理、产品特点理论分析，并进一步论证高压开关电源在调试过程中出现的问题及解决方案，同时也对行业特点及其发展方向进行了相关探讨。
关键词：高压大功率开关电源 ；厚膜混合集成电路；
1 概述
随着军事斗争的复杂化，军用电子工业核心关键元器件供给形式日益严重。尤其是军工领域实现关键元器件 “自主可控，国产替代”，已经上升到国家战略层面。在国产化替代的大背景下，厚膜混合集成电路DC/DC变换器，是我公司研制的国产化设计的电源新品，该电源的主要功能是将输入电压16～40V转化成稳定输出电压28V，输出电流4.5A的电源，同时具有欠压、过压、过流、短路等功能，为整机系统提供稳定的电源。
2设计原理
该产品采用有源钳位正激式DC/DC的拓扑结构，由输入滤波电路、功率变换电路、整流滤波电路、PWM控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路。 其电路原理图如图1所示：
图1 电路原理图
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该产品由有源钳位控制芯片U1产生PWM脉冲波形，初级开关管、钳位管实现零电压开通与关断（ZVS）降低开关损耗；次级采用肖特基二极管整流技术；选择综合考虑开关损耗和导通损耗兼顾开关管和整流管。通过合理布局减少开关管和整流管开关损耗。对主电路采取变压器或输出电感反馈供电的方式减少电路自身损耗，提高电源模块整体工作可靠性。通过变压器输出电感参数设计和电路参数精确设计更好的实现MOSFET的ZVS开关。过程经过以上几项措施将变换器效率提升到88%左右，以满足效率技术指标。
3热设计和工艺设计
该产品的输出功率高达125W，为了使产品的热量及时散发出去和防止产品的在做随机振动的试验过程中，基片出现裂缝等问题，将该产品的基板分为三部分，输入回路，控制电路和输出回路；输入和输出回路采用导热性更好的氧化铍作为基板，开关管、整流管、续流管再流焊在上面，再将基板再流焊到外壳底座上，产品热传导途径为：芯片到基板，基板自身、基板到底座、底座自身，达到快速散热的目的。采取二次套印来解决输入和输出回路大电流的问题，充分利用结构空间，考虑散热又有利于小型化。将变压器、输出电感用高温环氧粘接在底座上；控制电路采用多层印刷，用介质分隔各层线路，将信号地与功率地有效分开，以及减少电路之间的干扰，达到降低纹波的目的。
4调试过程出现的问题以及解决方案
4.1 发现问题
DC/DC变换器为国产化电源，在调试过程中发现，存在各种各样的问题，特别是涉及到高温启动、高温工作时吸收网络电阻烧毁等问题。
4.1.1高温启动问题
该产品改为国产化控制的PWM控制芯片，在测试的过程中发现产品在高温下空载和带载均无输出，常温和低温工作正常。
4.1.2高温工作时吸收网络电阻烧毁问题
将4块调试好的产品进行高温测试时，有2块产品在输入电压由低端向高端调试时，发现产品输出电压调整度增大，同时将负载电流由满载到半载变化，再从半载到满载进行测试，发现在整个输入电压范围内，产品输出电压不稳定，而且出现啸叫声；随后，将产品进行常温测试，发现输出电压调整度变大且震荡，通过检查发现这2块产品输出端续流二极管上的吸收网络电阻烧断，从而造成产品输出不稳定，更换电阻后产品在常温状态下进行测试，输出电压稳定，产品性能正常；再将产品放入烘箱，进行高温测试，发现多测试几次，此现象又会重复出现，究其原因，为何产品在高温测试时会出现续流管上的吸收电阻烧毁呢？
4.2 解决方案
4.2.1高温启动
针对产品在高温启动时无输出现象，首先我们将产品的过流保护﹑短路保护功能去掉，产品空载还是无输出；然后在高温下，用示波器测试PWM调制器的主功率输出A和有源钳位输出B，无输出波形，进而用繁用表测试内部高压启动调节器的输出端VCC，发现该脚的电压的电压低于7.6V，当VCC低于6.2V或在输入欠压锁定状态时，控制器关断。此时发现产品无输出应该是PWM调制器高压启动调节器的输出端VCC的电压过低，控制器关断造成。首先我们去掉产品的辅助供电电路，让产品自主供电，常温和低温正常，发现在高温时控制器的VCC电压未建立起来，还是低于7.6V，将烘箱温度从125℃逐步降低，发现在85℃时，VCC电压建立起来，达到7.6V，将辅助供电电路接上，进行测试，产品空载、带载在整个输入电压范围内，一切正常。后来经过多次试验，调整PWM调制器外围参数，只有将VCC对地的电容从476增加到107，该脚的电压才能建立起来，产品输出正常。
4.2.2高温工作时吸收网络电阻烧毁
该产品在输出整流电路采用肖特基二极管整流和续流时，运用正激式变换拓扑结构中的典型计算公式进行计算，整流、续流二极管的最大耐压值为80V，最大电流为6.5A，我们选用SC105H150A管芯，它的主要参数为最大额定电压VRRM:150V，平均正向电流IF（AV）：15A ，满足设计要求。
针对发现的问题,用示波器对产品输出整流、续流二极管的波形进行测试 ，在输入电压16V时，整流管、续流管的峰峰值电压分别为101V，200V；输入电压40V时，整流管、续流管的峰峰值电压分别为89V，330V；根据输出端测试情况，发现随着输入电压的增大，续流管的峰值电压越来越高，高端达到300V以上，远远超过续流管的耐压值，针对此现象，改变整流管、续流管的吸收网络，发现对续流管的波形基本上没有改变，无法将续流管上的峰峰值电压降到安全范围内；经过多次反复试验，最后发现改变输出电感的位置，可以有效的降低整流管、续流管的峰值电压，原来产品的输出电感接在输出正端，改变后将电感的位置接在输出地上，峰值电压大幅降低，在整个输入电压范围内，峰值电压≤100V,图2左边表示输入电压40V，输出电感接正端的整流续流管波形；右边表示输入电压40V，输出电感接地端的整流续流管波形。从图中可以看出，整流续流管的峰值电压成倍降低，达到安全使用范围，经过多次高温试验，没有出现此现象。我们分别在输出电流为0.5A、1A、2A、3A、4A时，将电感放置在输出正和地上进行测试，发现在轻载时，整流管、续流管上的峰峰值电压相差不大，超过3A，输出电感接在地上比接在正上，整流管、续流管上的峰峰值电压成倍降低。
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图2电感位置更改前后对比图
5结语
随着国外对进口元器件的限制，国产化电源需求迫在眉睫，这款Q结构电源所有元器件已经国产化，产品性能稳定，效率高，满足客户的需求；目前产品已经在整机上小批量使用，发展前景广阔；该产品还需要进一步提高效率，将输出端二极管整流方式改为同步整流方式，减小二极管的导通损耗和开关损耗两部分，使我们的管芯产品效率达到90%以上，功率密度进一步提高，使我们下一步需要完成的目标。
参考文献：
〈1〉童诗白 《模拟电子技术基础》北京：高等教育出版社，2010
〈2〉（美）普利斯曼 著，王志强 译.开关电源设计，电子工业出版社，2010
作者简介
邢变丽（1975-），女，工程师。研究方向：厚膜混合集成电路，DC/DC电源研发。E-mail:1447079836@hotmail.com