浅析一种微型监控电路

毛国华，姜耀升，毕作佳

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安710065）

本文介绍基于厚膜混合集成电路工艺制成的一种监控电路，主要用于扫描系统中，起着交直流转换器和信号发射、接收的作用。

1 技术指标

1．1 电特性

该产品使用条件为：－40℃≤Tc≤85℃；UCC＝220 V±10 V（另有规定除外）。产品主要的电特性指标见表1所示。

表1 主要电特性

1．2 外形尺寸

外形尺寸见图1。

2 设计原理

图1 外形尺寸

该产品在设计过程中与用户进行了充分的沟通，在全面满足用户提出的性能指标的前提下，产品优良的抗振能力、必要的降额设计及良好的热设计思想贯穿于整个设计中，集中保证了军用产品的高可靠性。

2．1 电路设计及工作原理

该监控电路内含两路DC／DC电源、后级可控硅控制电路、隔离双光耦驱动电路和两组简单数字电路。DC／DC电源部分，输入端采用全桥整流的方法提供电压，主电路采用LT1533组成的推挽式脉宽调制电路；一路独立的回路控制完成了稳压功能；另一路没有反馈回集成电路，而是通过一个三端稳压器完成了稳压功能，保证了输出精度；其余电路均属于为后级配套电路及部分外围。具体线路见图2。

图2 电路原理图

2．2 结构设计和可靠性设计

产品采用引线镀金，玻璃绝缘子隔离，厚度为1．5 mm的可伐钢材料铣成的平行封焊外壳；内部板与外壳采用双股镀银丝线连接，并用灌封料将其剩余空隙填满，使之与外壳成为一体，外壳使用平行封焊结构，并在底部设有四个安装固定孔，提高了产品的抗振性能设计；元器件采取必要的降额设计并在其进厂后进行严格的工艺筛选，表贴元件采用再流焊工艺，焊接内部连线时操作工要带防静电手腕；由于电源内部有一些集中发热元件，将这些大功率发热元件如振荡管、整流管、变压器、电感等贴装于外壳底面上，利用传导散热将热量散发出去，使产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境，提高产品的可靠性设计。

根据可靠性预计理论计算，该产品平均故障间隔时间为5．86×104h。

3 技术难点、解决措施和关键工艺技术

3．1 技术难点及解决措施

3．1．1 电路模式与关键器件的选定

主电路选择输入电压范围宽（2．7 V～23 V）的LT1533脉宽调制器，组成了推挽形式核心电路。其内部集成有功率管形成的推挽电路，可以直接驱动变压器，节省了空间，易于布线。

（1）电阻：电阻采用厚膜印刷电阻，这样，即使在相对苛刻的环境下电阻也能安全可靠地工作，确保不会失效。近年来，在厚膜印刷电阻方面取得了长足的进步，军用电阻网络已在用户中取得了良好的信誉，其在125℃下，额定功率时工作6 000 h无失效，因此，厚膜电阻的高可靠性是完全可以信赖的。

（2）基片：电路承载基片选用AL2O3陶瓷基片。AL2O3陶瓷基片的热传导能力仅次于金属，由于该电路的自身耗散功率不大，陶瓷基片的材质和面积足以将电路自身所产生热量从容扩散出去，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。

3．1．2 关于SCLK和SDA空载波形

在产品测试过程中，发现SCLK和SDA在空载测试时，波形不是平滑的方波，而是由台阶逐个叠加成的波形。通过详细的原理分析和试验检测确认监控电路中环路系统不稳定造成了该现象，给其加一个5 mA左右的假负载，使其构成闭环，解决该问题。

3．1．3 关于输出电压波形晃动

在产品测试过程中，发现输出电压波形有时会晃动，分析主要有两个原因引起，一是补偿端电阻电容容量已出现较大的偏差，二是PGND接地电感容量偏大。

3．1．4 关于粘结工艺的改进

在半成品筛选过程中，发现基片裂片的问题，分析是由于PCB板和基片的张力相差过大引起的，所以将二者的粘结方式由高温环氧改为一种合格的粘结剂。该粘结剂具有很好的粘性和弹性，不受温度变化的影响，经多次筛选试验，证明可以解决基片裂片的问题。

3．2 关键工艺技术

焊接件组装为关键工艺技术，在产品装配中，需将基片和PCB板粘结起来，由于二者之间的膨胀系数相差太大，在温度突变时基片容易裂片，所以它们之间的组装就成为产品的关键工艺。最初采用常温环氧进行粘接，后经试验证明粘结的强度不够，如果给产品较大的离心力基片会掉下来；然后，换成了高温环氧，这次的粘结强度虽然可以，但是在温度突变时基片产生了裂片；后经过大量的实验验证和理论计算，最终采用一种合格的粘结剂作为二者的粘结剂。同时用该粘结剂时要注意用酒精清洗，因为该粘结剂遇特定清洗剂粘结性会变差。

3．3 批产化问题

产品批量化生产基本要求：工序最少、调试最简、采购方便。

在监控电路生产中，由于元器件质量及其参数的离散性，会有部分产品的部分技术指标产生差异，这就需要进行电路调试，主要是通过个别元件或电路参数的微调，校正产品技术参数，达到设计要求。电路调试技术要求较高，调试过程复杂，单个指标的调整，常常会影响到其它指标。因此，必须在设计时做精确计算，尽量避免过程调试，如果需要验证，在小批量试流时予以解决。为了减少和简化电路调试，生产中要严格按工艺操作，避免贴片、焊接各工序的人为错误。合理分布检验检测点，消除低级错误。

另外，考虑到易于采购，对于设计过程中元件的选取采用了通用化、可替换代用的做法，不能通用、替换的元件固定生产厂家，保证质量，以适应大批量生产采购的要求。

4 新品特点

（1）两路DC／DC电源输出电压纹波小，具有很宽的电压输入范围，能够完全满足后级配套电路要求。

（2）电路内还集成了后级可控硅控制电路、隔离双光耦驱动电路和两组简单数字电路。

（3）全金属屏蔽封壳、接插件引出，整机调试使用方便。

（4）壳体带有四个M3固定孔，方便产品的外加固。

5 质量和可靠性设计情况

产品从元器件的选取，电阻浆料的选取，陶瓷基片的制备，生产工艺的优化，安装方法的优化，均作了精心的实验和早期老化筛选，产品要求在军标线生产和组装，完全符合军品的生产工艺流程。

为了保证产品的可靠性，具体在产品的抗振性能、防静电、散热、冗余设计等方面做了大量的工作。我们用灌封料将腔体内剩余的空隙填满，使线路板与外壳成为一体，外壳使用平行封焊结构，并在底部设有四个安装固定孔，提高了产品的抗振性能设计；元器件采取必要的降额设计并在其进厂后进行严格的工艺筛选，表贴元件采用再流焊工艺，焊接内部连线时操作工要带防静电手腕；将大功率发热元件如振荡管、整流管、变压器、电感等贴装于外壳底面上，利用传导散热将热量散发出去，使产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境等。

6 结束语

该产品输出电压纹波小，具有很宽的电压输入范围，能够完全满足后级配套电路要求；全金属屏蔽封壳、接插件引出，整机调试使用方便，可为用户节约大量的调试时间，提高工作效率。该产品适合批量生产，用户试用情况良好。该产品的研制成功具有良好的经济效益。

［1］ 方佩敏，张国华．最新集成电路应用指南［M］．北京：电子工业出版社，2009．

［2］ 王锡吉．电子设备可靠性工程［M］．西安：陕西科学技术出版社，1992．

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