一款超宽工作温度的抗辐射POL 电源设计

胡梅 杨正男 欧长江

（中国电子科技集团公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

抗辐射POL 电源是输入输出非隔离的电源模块，其功能是将系统中的二次电源输出变换成各子系统所需要的直流电压，为FPGA、DSP、MCU 等负载端提供能源，广泛应用于航空航天、微波、通信系统等领域中。随着我国航天事业的发展，对高性能抗辐射POL 电源的需求也日益增长。

针对航天卫星对供电电源的需求，本文设计了一种-70℃～+150℃超宽工作温度范围的抗辐射POL 电源，该电源具有效率高、输出电流大、抗辐照能力强等特性，可实现禁止、短路保护、输出电压可调等功能。本文主要从电路拓扑结构设计、元器件参数计算和选型、150℃高温和-70℃低温混合集成工艺等方面实现电路设计，并通过软件仿真和样件测试结果验证了该电源设计方案的可行性和合理性。

2 总体方案设计

2.1 主要技术指标

该电源的主要技术指标如表1 所示。

表1：主要技术指标

2.2 电路拓扑结构设计

该电源输入输出为非隔离，且实现降压型功率变换，一般来说可以使用线性LDO 技术或开关电源技术，但LDO 技术效率低，不满足本项目高效率要求。因此能满足该电源设计要求的开关电源拓扑结构有buck、同步buck等。其中buck 电路的工作原理图如图1 所示。

图1：buck 电路原理图

从原理图中可以看出，buck 电路的损耗主要集中在MOS 管和整流二极管，其中MOS 管由于导通阻抗很小，一般是毫欧级，工作时造成的损耗也很小。而整流二极管的损耗与导通压降和负载电流成正比，其中二极管的导通压降一般在0.7V，因此在低压大电流条件下，续流二极管的损耗远高于MOS 管。为解决这个问题，可采用同步整流技术，用导通阻抗极低的功率MOS 管取代整流二极管，它能大大提高电路效率。同步buck 电路原理图如图2 所示。

图2：同步buck 电路原理图

在同步buck 电路中，Q1、Q2 两个MOS 管交替导通。当Q1 导通，Q2 关断时，电流从输入端经Q1、电感LO 流向电容CO 和负载；当Q1 关断，Q2 导通时，电流由电感Lo 流向电容Co 和负载，再经过Q2 回到电感Lo 构成回路。根据本电源的研究目标和主要技术指标要求，本电源选择同步buck 电路拓扑结构。

2.3 元器件参数计算和选型

2.3.1 输入电容设计

对于buck 电路，输入电容的工况要比输出滤波电容更为恶劣，输入电容除了满足电路电容容量的需要，还要提供更大的纹波电流。

先计算所需的输入电容容量，计算公式如（1）所示：

式中ƒ为电路的工作频率；ΔV为允许的输入电压波动峰峰值，一般取额定输入电压的5%；当D=0.5 时，D×（1-D）有最大值为0.25。

该电源的工作频率为300kHz，额定输入电压为5V，输出电流为7A，代入公式（1)，计算可得本电路需要的最小输入电容容量为24μF。

根据上述计算结果，并考虑一级降额要求以及电容的尺寸和容量问题，输入电容选用耐压25V，容量为10μF 的四只高温电容并联。查阅元器件手册，所选高温电容在-70℃时，电容容量变化率在-5%左右，在+150℃时电容容量变化率在-8%左右。因此使用四只高温电容并联在全温度范围内，输入电容容量满足电路要求。

然后，再计算输入电容在电路中需要承受的交流纹波电流的有效值。计算公式如（2）所示：

当输出电压为3.3V 时，将输入电压4V，输出电流7A，代入公式（2），可得输入电容需要承受的交流纹波电流有效值是6.4A。所选用的高温电容单只允许交流纹波电流的有效值为5A，四只并联后为20A，满足电路中输入电容需要承受的交流纹波电流的有效值。

最后，由于输入电容要承受大的纹波电流，必须对输入电容的功耗进行计算，计算公式如（3）所示：

所选高温电容单只等效串联电阻为7mΩ，计算可得所选高温电容的单只允许功耗为0.125W，四只并联为0.5W，满足电路实际要求。

2.3.2 输出电感设计

对于buck 电路，电感电流的变化量与电感量成反比，电感增大，电流变化量减小，反之则增大。通常为了提高效率需要减小电感电流的变化以及减小电感绕组的交流损耗，这就需要增大电感量，但是电感量的增加会导致输出动态响应变慢，同时较大的电感量不利于减小电源的体积和重量。电路所需的最小电感量计算公式如（4）所示：

式中I为输出纹波电流，通常选择I为输出电流的40%。当输出电压为3.3V 时，将ƒ为300 kHz，最大输入电压6.0V，输出电流7A，代入式（4），计算可得此时电路所需最小电感量为1.77μH。

实际选用的电感感量在1.9uH ～2.3uH 范围内。对于所选用的电感，在进行温度循环、机械冲击、恒定加速度等环境试验摸底之后，分别在-70℃、常温、+150℃条件下测试电感感量、初始磁导率、饱和磁通密度等特性参数，测试结果均满足该电源对电感的要求。

2.3.3 输出电容设计

首先，输出电容作为储能元件，目的是保证在任何情况下都维持输出电压的相对稳定。其次，输出电容的另外一个作用是作为开关电源输出端的滤波器件，为高频开关频率的电感纹波电流提供低阻抗流通路径，因此会在电容上产生开关频率的纹波电压。可以通过公式（5）计算输出电容的最小电容量。

式中V为输出纹波电压，本电路要求输出纹波电压为50mV 时，通过计算可得本电路所需的最小输出电容容量是23μF，因此电路选用同上述输入电容相同型号的4 只10μF/25V 高温电容并联。

2.3.4 PWM 控制器

锂电池隔膜生产线工艺运行对环境温度要求较严，大部分工段全年要求恒温恒湿且工艺设备表面不得结露，否则会直接影响产品的质量。因此，保证空调系统冷冻水的温度也是保证工艺生产出合格产品的重要条件。鉴于工艺冷冻水室外部分量小且要求不高，在设计中将工艺与空调冷冻2个系统合二为一，冷冻水供水温度按工艺厂房空调用水要求设计，管线设置按工艺设备冷冻用水要求设计。这样既保证了厂房空调温度要求,也满足了工艺设备冷冻水连续性的要求。同时工艺和空调冷冻机组互为备用，减少了机器的备用台数，降低了工程投资，简化了运行操作。

PWM 控制器是本电路的关键件，在进行器件选型时，器件不仅要在-70℃～+150℃温度范围内满足电路的电特性指标要求，而且还要满足抗辐照指标要求。

针对PWM 控制器的宽温度工作范围要求，首先，需要确认器件在-70℃～+150℃温度范围内可以进行正常工作。其次，在 -70℃、常温、+150℃条件下，对所选器件进行所有电特性指标验证，满足要求方可选用。

PWM 控制器需要满足的抗辐照指标要求为：总剂量100Krad(Si)，单粒子（烧毁）≥75MeV.cm/mg。针对抗辐照指标要求，芯片研制的关键技术为：高侧驱动电平位移技术、耐辐射加固技术、单粒子加固技术。采用抗辐照加固技术研制的PWM 控制器可满足电路的抗辐照指标要求。

综上所述，本电路的关键件PWM 控制器选用XXX型抗辐射降压型同步电压转换器。该器件的过温保护点是175℃，抗辐照指标为总剂量≥100Krad(Si)，单粒子（烧毁）≥75MeV.cm/mg，满足电源设计要求。

2.4 工艺设计

2.4.1 150℃高温混合集成工艺设计

该电路工艺主要包括粘接工艺、焊接工艺、键合工艺，经分析高温电源产品的可靠性主要在于各组装工艺在高温条件下的可靠性、稳定性，包括焊接工艺可靠性、键合工艺可靠性。

针对高温焊接工艺研究，本电路最高工作温度为150℃，考虑到电路内部热阻，以及焊接界面的长期应用可靠性，本电路需选用熔点更高的焊料。

针对高温键合工艺研究，金铝键合常会在键合区结合界面处不可避免地会形成Au-Al 金属间化合物和Kirkendall空洞，且随着产品工艺温度的升高，Au-Al 金属间化合物和Kirkendall 空洞的生产速度将加快。根据电路工艺需求，对芯片表面的金-铝键合界面（常规金丝键合工艺）和金导体表面的金-铝键合界面（细铝丝键合工艺）的长期可靠性进行研究，最终确定了最佳的高温键合工艺。为评价键合的长期可靠性，对键合后的样品进行300℃ 12h 的评价，评价结果拉力值均合格，满足本电路应用需求。

2.4.2 -70℃低温混合集成工艺设计

低温条件下，分子间的运动缓慢，铅锡焊接界面、键合界面的相互扩散较弱，界面稳定性较高，可长期工作。经分析，低温环境对电源产品的可靠性主要在于不同材料之间的热失配，造成的匹配应力。因此，在封装壳体和陶瓷基板选型时，需要重点关注热膨胀系数匹配性。

3 仿真分析及样件验证

3.1 仿真

通过saber 软件对本电路结构进行仿真，电路输出电压直接取样反馈、实现闭环控制，满足稳定的电压输出要求。可通过外接电阻的改变实现输出电压的可调功能。

仿真得出的关键节点波形如图3(a)、(b)、(c)所示。图3分别是输入电压为4.5V、5V、6V，输出电压为3.3V，输出电流为7A 时的输出纹波电压和开关节点PWM 波形图。仿真结果验证了本电路结构设计的合理性，同时说明了计算所得的主要参数值满足电路指标设计要求。

图3：输出纹波电压与开关节点PWM 波形图

3.2 样件

3.2.1 实测关键波形

在上述总体设计方案及仿真结果的基础上，采用混合集成工艺研制出了样件，后续经过电路参数调试、优化，以及电路版图布局布线优化，最终研制出了满足所有技术指标要求的-70℃～+150℃超宽工作温度范围的抗辐射POL 电源样件。针对研制出的样件测试关键波形如图4～图6 所示。

图4：输出电压启动波形

图6：负载跃变波形

当输入电压为5V，输出电压为3.3V，输出电流7A 时，样件输出电压启动波形如图4 所示。从图中可以看出，输出电压启动延迟时间为1.94ms，启动过冲为0mV，符合该样件设计要求。

图5(a)、(b)、(c)分别是输入电压为4.5V、5.0V、6.0V，输出电压为3.3V，输出电流7A 时的输出纹波电压和开关节点PWM 波形图。从图中可以看出，当输入电压为4.5V 时，输出纹波电压为19 mV，开关节点高电平为4.5V，占空比为73%；当输入电压为5.0V 时，输出纹波电压为23 mV，开关节点高电压为5.0V，占空比为66%；当输入电压为6.0V时，输出纹波电压为30 mV，开关节点高电压为6.0V，占空比为55%，测试结果完全符合该样件工作原理，并满足样件设计要求。

图5：输出纹波电压与开关节点PWM 波形图

图6 是输入电压为5V，输出电压为3.3V 时负载阶跃波形。从图中可以看出，当负载从3.5A →7A 瞬变时，输出电压变化峰值为-180 mV，输出电压恢复时间为60µs，当负载从7A →3.5A 瞬变时，输出电压变化峰值是190 mV，输出电压恢复时间是56µs，满足样件设计要求。

通过与saber 软件仿真结果进行对比分析可知，样件实测波形与仿真波形基本相符，验证了此电路设计方案和仿真模型的合理性。

3.2.2 实测三温数据

样件在-70℃低温、常温、+150℃高温实测数据如表2 所示。通过与表1 对比可知，样件三温实测结果均达到了主要技术指标要求。并从测试数据中可以看出，研制出的-70℃～+150℃超宽工作温度范围的抗辐射POL 电源样件具有效率高、输出电流大等特点，从而进一步验证了电路总体设计方案的合理性和有效性。

表2：主要技术指标实测值

对于电路的抗辐照指标：总剂量100Krad(Si)，单粒子（烧毁）≥75MeV.cm/mg。研制出的样件已进行过总剂量和单粒子试验，试验结果均满足抗辐照指标要求。

4 结论

本文设计了一种-70℃～+150℃超宽工作温度范围的抗辐射POL 电源，分别从电路拓扑结构设计，主要元器件参数计算和选型，高温和低温混合集成工艺等方面对电路总体设计方案进行了详细的阐述，并通过saber 软件仿真和样件实测结果验证了电路方案设计的合理性和可行性。最后，样件的三温实测数据表明该电路满足技术指标要求，并具有效率高、输出电流大、负载调整度小等特性，从而进一步验证了该电源设计的合理性和适用性。