一种瞬态抑制HID灯控制模块的研制

发表时间:2021/6/17   来源:《科学与技术》2021年2月第6期   作者:张琪
[导读] 文中针对一种厚膜混合集成瞬态抑制HID灯控制模块,并对批量化持续改进过程的技术做出了总结。
        张琪
        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瞬态抑制HID灯控制模块,并对批量化持续改进过程的技术做出了总结。介绍了该产品的电路、结构以及产品特点,并进一步论证了高功率驱动电路批产化和高可靠的设计原则,同时也对行业特点及其发展方向进行了相关探讨。
        关键词:瞬态抑制HID灯控制模块 ;厚膜混合集成;产品可靠性
1 概述
        混合集成电路瞬态抑制HID灯控制模块,主要功能是隔离瞬态抑制功率的电子开关模块,主要用于HID灯的驱动,并有抑制短时间高电压高电流的功能,并为HID灯提供安全的工作电源。
2 主要技术指标
        1.静态电流:ID≤25mA;
        2.输出低电平电压:VL≤0.5V;
        3.输出高电平电压:26≤VH≤30V;
        4.电源电流:ICC≤20A;
        5.输入高电平电压:26≤VIH≤30V;
        6.输出驱动电流: IOM≥7A;
        7.瞬态最大输出驱动电流:ICC≤20A
        8.环境条件:工作温度-55℃~+125℃。
        9.产品外形:直插式金属外壳平行缝焊封装,长×宽×高≤28mm×28mm×8.5mm。
3 工作原理
        其工作原理图如图1所示:
        
        

        该电路由555振荡电路产生18KHZ左右峰值12V的交变信号,经过3倍压整流电路,使电压达到36V左右,以满足开关管驱动的需要,用一只光电耦合器和MOS管组成控制电路,控制大功率MOS管导通(工作在饱和区,3A情况下饱和压降为0.2V左右),输出额定电压,带动负载工作,当输入电压因某种原因增高时,由于加在功率MOS管栅极和地之间的控制电压为36V,即最大输出电压= 36-5(功率MOS管饱和最小控制电压)=31V,也就是说输入电压超过31V后大功率MOS管就工作在非饱和区,大功率MOS管由开关管变为调整管,使输出电压保持在31V左右,起到保护负载的作用。
        整体设计方案具有电路简洁,抗干扰性强,具有瞬时功率大、驱动电流大、总静态功耗小和体积小、重量轻等特点。
3.1产品特点
        1)具有隔离控制开关功能;
        2)用于HID灯驱动,驱动电流大,最大可达20A(20S内);
        3)具有高压保护功能;
        4)体积小(长×宽×高≤28mm×28mm×8.5mm),重量轻,使用方便。
3.2 工艺设计
        瞬态抑制HID灯控制模块在研制过程中主要解决的关键工艺技术问题,就是封装结构和厚膜混合集成工艺。
        1)金属封装结构工艺
        结构设计要考虑与电路内部材料的匹配性、引线传导电流的能力、壳体导热性及散热面积是否满足要求、安装的可靠性及环境适应性,同时封装后要有良好的密封性,以确保产品整体可靠性。由于本项目电流大,因此在底座的制作,引线的尺寸和材料,大直径引线绝缘子的烧结,密封性等等,都要做大量的材料、工艺摸索实验和研究,既要能够通过大电流,又要保证密封性能等使用环境的要求。最终选用全金属封装陶瓷绝缘子外壳,引线镀金,表面镀镍,适于抗耐湿、防盐雾要求,同时保证屏蔽性,防止外界干扰影响精度。并且采用非对称引脚排列方式,标注1脚标识,防误插损伤设计,保证了产品使用。
        2)厚膜混合集成工艺
        电路采用厚膜混合集成电路集成工艺,电阻连同导带用平面厚膜印刷、烧结,激光调阻,使电阻阻值的精度和稳定性、一致性得到保证;基片表面非焊区部分采用表面钝化保护;集成块采用裸芯片粘接后金丝压焊,电容采用再流焊技术;关键器件功率MOS管采用再流焊后进行铝丝键合,可靠性更高。
        考虑到体积小功率大的要求,电路承载基片选用了96%的AL2O3陶瓷基片,并通过再流焊技术将其焊接到底座上,减少了热阻,使所产生的热量从容扩散出去,大大减小了由于热效应对产品产生的老化作用,从而延长产品的使用寿命,提高了可靠性。
3.5 可靠性设计
        该产品协议要求执行GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》,对质量可靠性要求很高。因此在可靠性设计方面,我们从每一种元器件,从底座、外壳、陶瓷基片,到电容、集成电路和功率MOS管及二极管等我们都作了精心的选取,包括元件的尺寸,性能,自身的稳定性等,同时采用厚膜混合集成电路工艺,严格按GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》和《质量保证大纲》要求进行控制,贯军标线生产,能满足产品的质量可靠性要求。
        可靠性设计贯穿于整个产品设计的始终。在线路设计方面、元器件选用方面多做综合考虑,简化线路,减少元器件数量,增强元器件性能的余量设计。
        产品鉴定试验中,稳态寿命1000h试验,以及一系列相关试验,全部合格,满足GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》对产品的可靠性要求。
        根据GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的相关规定,我们对产品的可靠性进行理论计算和预计。预计该产品平均故障间隔时间约为5.15×104小时,根据计算的预计结果,产品的质量等级符合H级要求。
4  关键技术攻关情况
4.1瞬态高压抑制
        瞬态高压(脉冲干扰),在供电系统中普遍存在,解决不好可能会对后级电路造成损坏,瞬态抑制HID控制模块,就针对瞬态高压设计了抑制电路,采用一只光电耦合器和MOS管组成控制电路,控制大功率MOS管导通,输出额定电压,带动负载工作,当输入电压因某种原因增高时,由于加在功率MOS管栅极和地之间的控制电压为36V,即最大输出电压= 36-5(功率MOS管饱和最小控制电压)=31V,也就是说输入电压超过31V后大功率MOS管就工作在非饱和区,大功率MOS管由开关管变为调整管,使输出电压保持在31V左右,起到保护负载的作用。
        这部分电路简洁、可靠,经过多次实验,优化参数,能够抑制s级瞬态高压(一般产品只能抑制μs或ms级干扰)。较好的解决了此问题。
4.2体积和可靠性
        由于在厚膜基片上进行二次集成,其有效面积小,可靠性指标要求高。整个电路的平面化成了关键的问题,具有很大难度,其间采取了以下措施:板图设计要确保整体导通电阻最小,它包含从电源到功率器件的连接线保持尽可能粗且短,功率器件本身的导通电阻最小,器件与基板、导带的连接电阻最小,同时功率器件到基板到产品底座的连接热阻也最小。在实际产品上,我们采用镀银线将引脚包住焊接,再焊接至相应MOS管输出焊盘上,保证其连接线粗且端。同时在平面布图过程中,综合考虑线路特点、工艺特点和批量生产的要求、尽量避免二次导带和介质布图;同时还要考虑元件尺寸、布局,尽量缩小布图面积,合理分布元件的平面及空间布局,充分利用基片的有效面积。严格按照以上措施进行设计后,达到了可靠性指标要求。
5产品的应用情况
        该产品将技术攻关的结果应用到正样和鉴定批生产中,各项试验筛选都很稳定,用户使用也很满意,并通过的鉴定试验。该产品具有较高的可靠性和稳定性等特点。在军用设备驱动系统使用方面,该产品具有一定的通用性。
6 结语
        文中所述的瞬态抑制HID灯控制模块,按小型化、批产化和高可靠的设计原则,为HID灯提供安全的工作电源,具有抑制短时间高电压高电流的保护功能,具有广阔的应用前景。
        
        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〉方佩敏  《最新集成电路应用指南》北京:电子工业出版社,1996
作者简介
        张琪(1980-),男。研究方向:厚膜混合集成电路,DC/DC电源研发。E-mail:67149308@qq.com
       
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