一种系统级可重构厚膜混合集成电源模块设计

黄 炼，朱永亮，蒋 华，花 韬

(南京电子技术研究所，江苏南京 210039)

在航天领域中，星载雷达系统是卫星重要载荷，其天线阵面供配电系统主要特点为：脉冲功率工作；峰值功率大；平均功率大；工作模式复杂[1-2]。天线阵面供配电分系统为各用电设备提供所需的电能，其质量直接影响整个系统的功能、性能，乃至任务的成败。同时，高空间分辨率的星载雷达的发展趋势意味着整星供电功率需求持续提升，但是由于发射平台推力受限，对载荷设备单位面积质量要求越来越严苛，高集成度、高效率和轻量化的供配电系统的需求已经迫在眉睫[3-7]。

星载雷达系统中，大多采用DC/DC 模块将一次电源转换为所需的二次电源，实现供配电系统的一次地和二次地之间隔离和电压变换[8]。常见的电源电路一般由保险丝、电磁干扰(EMI)电路、功率变换电路、使能控制电路组成。其中保险丝用于故障隔离，功率变换电路和EMI 电路一般选取DC/DC变换器和与之配套的滤波器，控制电路用于控制DC/DC 变换器的开关使能。DC/DC 变换器根据降额设计原则和可靠性设计原则，模块内部元器件的选用需要满足国军标要求的I级降额。同时在系统应用上，DC/DC 模块的使用需要再次满足国军标要求的I 级降额，使得DC/DC 模块长期处于半载或者轻载工作状态，从而导致系统效率低，存在一定的资源浪费，不能满足系统高集成度、高效率和轻量化的应用需求。

本文以某星载雷达天线阵面供配电系统的阵面二次电源为研究对象，提出一种系统级可重构厚膜混合集成电源模块设计方法，利用厚膜混合集成工艺，灵活地将多个功能单元集成到一个微组装模块中，构建功能完善且体积小、质量轻、效率高、可靠性高的可重构分布式供电模块，满足天线阵面供配电系统的高集成度、高效率和轻量化的应用需求。

1 原理和设计

1.1 星载雷达供配电系统

某星载雷达系统的天线阵面供配电系统包括：电池，配电器，阵面二次电源。其中电池是雷达发射功率的能量来源，提供一条不调节母线；配电器主要完成卫星对载荷母线电源的分配与控制，根据控制指令为阵面二次电源提供电源开关机使能信号；阵面二次电源的主要功能是将不调节母线所配直流电变换为收发(T/R)组件所需的低压直流电，接收开关机信号，实现开关机功能。T/R 组件是主要用电单机，在发射期间完成发射信号的高功率放大，接收期间完成接收信号的低噪声放大[9]。某星载雷达系统天线阵面供配电链路如图1 所示。

图1 某星载雷达系统的供配电链路

1.1.1 基于传统PCB 工艺的阵面二次电源

基于传统印制板电路板(PCB)工艺的阵面二次电源整体电路设计框图如图2 所示。功率变换电路和EMI 电路选取某公司的AFL50XXSXRH 系列DC/DC 变换器和与之配套的AME50461W 滤波器。根据元器件降额要求和系统可靠性设计要求，共需要AFL5028SXRH 系列DC/DC 变换器4 个、AFL5005SXRH 系列DC/DC 变换器4 个和与之配套的AME50461W 滤波器2 个。

图2 二次电源整体电路设计框图

基于传统PCB 工艺的阵面二次电源在结构上需要充分考虑安装、固定、散热和绝缘问题，采用图3 自上而下的安装方式，依次为印制板、DC/DC 变换器、导热衬垫和机壳；DC/DC 变换器通过紧固件固定在机壳上，模块与机壳之间加入导热衬垫；滤波器两侧引脚弯曲朝上，与上方印制板直接焊接。设计完成的单机本体尺寸450 mm×100 mm×24 mm，单机满载效率≥75%，单机质量1.8 kg，在高度、质量和集成度方面不能适应未来系统应用需求。

图3 DC/DC 变换器结构安装设计示意图

1.1.2 基于厚膜混合集成工艺的电源模块

高集成度、高效率和轻量化的电源模块是满足系统高效率、轻量化的有效实现方式[10-11]。在传统阵面二次电源设计基础上，利用厚膜混合集成工艺进行系统集成，将多个功能单元集成到一个微组装模块中，构建功能完善且体积小、质量轻、效率高、高可靠性的系统级分布式供电模块，能够满足系统应用需求。

厚膜混合集成工艺基于多层氧化铝陶瓷基板和局部双层的氧化铝AL2O3基板实现，如图4 所示。电路进行分片设计，控制部分采用多层布线以提高组装密度，功率部分采用高导热基板以适应大功率器件的散热需求，兼具高密度和大功率的特征，同时分片提高了电路抗机械应力的能力，以保证电路满足可靠性试验的要求。基板上控制部分主要采用金导带布线；表贴元件采用粘接、烧焊工艺安装在基板上，控制芯片以金丝和金带键合工艺，功率芯片以铝丝键合和烧焊工艺实现与基板的电气连接。功率变压器、功率电感铜带手工焊接至特制的过渡片上实现互联，并采用高导热材料进行非导电粘接到壳体上，以降低热阻并保证良好的机械性能。大电流磁性器件采用耐高温漆包铜带绕制，提高绕组过流能力。

图4 厚膜混合集成工艺

1.2 系统级可重构电源模块设计

以上述雷达系统中分布式供电最小供电单元为研究对象，从系统角度和可实现性角度出发，厚膜混合集成电源模块集成EMI、控制使能电路和电源变换电路，单个电源模块输出电流5 V/4.8 A、-5 V/0.8 A 和28 V/6.4 A，合计输出功率约207 W。

1.2.1 电路设计

电源模块接收开关机使能信号，实现开关机动作，实现三路电压输出。根据电路单机内部含有输入浪涌抑制电路、EMI 滤波电路、辅助源电路、28 V 变换电路、5 V 变换电路和-5 V 变换电路等部分，原理框图如图5 所示。

图5 电路原理框图

电源模块中28 V 电路功率变换电路采用独立的功率变换电路，通过自身输出反馈来实现稳压输出。5 V 电路功率较小，共用一套功率变换电路，5 V 电路通过自身输出反馈来实现稳压输出，-5 V 电路通过后级二次稳压变换来实现稳压输出。控制电路采用峰值电流型脉宽调制(PWM)控制方式，其开关频率固定，利用电流互感器采样原边电流信号，通过误差电压采样控制环、峰值电流采样控制环实现双环控制。模块具备过压/过流保护能力，通过对输出电流进行采样，在输出过流时采用恒流输出方式，实现过流保护功能和短路保护功能，限流点设为120%满载，可保证电路长期工作在输出短路状态下而不发生烧毁，短路故障移除时电路可自动恢复正常工作。

1.2.2 布局设计

在内部版图设计上，控制部分的走线尽量远离输出，将控制电路与功率电路在布局时分开放置，以降低功率部分对控制部分的干扰；控制部分采用多层厚膜银钯布线技术制作多层基板，特点是器件多、走线关系复杂、器件发热量小；功率电路采用散热性能较好的氧化铝厚铜覆铜陶瓷板(DBC)设计，特点是电流较大，发热量较大。

模块内部共有7 块陶瓷基板，如图6 所示，其中包含：C1多层氧化铝厚膜基板，其功能是实现EMI 滤波和开关机使能；C2 多层氧化铝厚膜基板，其功能是实现5 V 功率变换；C3氧化铝厚铜DBC 基板，其功能是实现5 V 整流滤波；C4 多层氧化铝厚膜基板，其功能是实现-5 V 变换；C5 多层氧化铝厚膜基板，其功能是实现28 V 功率变换；C6 氧化铝厚铜DBC 基板，其功能是实现28 V 整流滤波；C7 多层氧化铝厚膜基板，其功能是实现电源输出。模块中除陶瓷基板外，还有两只变压器和两只电感器，均采用RM 系列磁芯结合扁铜线绕制导体设计，磁性元件采用粘接工艺直接与电源壳体粘接，具有较好抗力学振动和导热特性。

整个机壳采用的是铝硅合金材料，整体为金属气密性封装结构，输入端和输出端均采用气密性电连接器，结构设计综合考虑了强度、抗辐照和散热要求，设计完成的电源模块本体尺寸为120 mm×70 mm×13 mm，单机质量0.27 kg，相较于传统的阵面二次电源，质量比功率从115 W/kg 提升到767 W/kg，体积比功率从0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

1.2.3 可重构实现方式

在复杂大型供配电系统的应用场合中，由于供电电压品种以及功能配置复杂，为实现系统功能，需要将多个DC/DC进行组合使用并且配置一定的EMI 滤波单元，但是受限于元器件选型范围和建筑规范要求，导致DC/DC 模块应用上不能实现最优的组合，存在一定的资源浪费和供配电安全隐患。可重构电源模块是一种基于最小供电单元的高可靠性供配电解决途径。以传统的DC/DC 变换器设计为基础，从系统角度需求出发，构建多路输出的可重构电源模块是一种灵活、快速的实现方式，其主要表现形式为输出电压可重构。可重构电源模块通过对内部单元进行搭配组合，以内部电路板结构为基础，直接进行替换，实现多种输出电压设置，在工艺条件不变下，以最快速度实现系统配置可变，保证系统可靠性。

以本文中可重构电源模块为例，布局设计中C2、C3 和C4构成的面积约为34 mm×80 mm，与标准的DC/D 模块100 W的封装尺寸基本一致，在尺寸上能够兼容同等功率等级的各种电压需求。在已有的设计基础上，本电压模块还可以构建两种电源模块方案：一种是双路28 V 输出的电源方案，将图6中C2、C3 和C4 单元直接替换成C5 和C6 单元，合理设计输出C7 单元，实现内部两路输出28 V 电源，该设计方案可以在大功率输出场景应用，利于系统的分布式设计；另一种是四路输出5 V 和-5 V 输出的电源方案，将图6 中C5 和C6 单元直接替换成C2、C3 和C4 单元，内部为四路输出电压，通过合理设计输出C7 单元，既可以实现输出四路电压，也可以进行主备一体化配置，有效提升系统可靠性。同时在其他系统中应用时，可以根据系统配置要求，进行多电压供电，这样能够减少模块间互联，同时直接匹配供电需求，实现资源最大化利用。

2 仿真和测试结果

2.1 力学仿真结果

阵面电源集成EMI 模块和多路DC/DC 模块电路，在结构上根据工作状态和受力情况，进行力学仿真分析。首先对电源模块壳体进行模态分析，保证电源模块在满足尺寸、质量要求的前提下尽可能提高组件的固有频率。根据振动理论，结构的低阶模态对振动响应比较大，高阶模态可以忽略不计。前6 阶的固有频率如表1 所示。

表1 模态分析结果 Hz

然后在模态分析的基础上进行了随机振动和正弦振动下的响应仿真分析，结果如图7 所示。随机振动载荷在垂直方向时，在固定处最大应力值为26.99 MPa，安全裕度=200 MPa÷26.99 MPa-1=6.4。正弦振动载荷在垂直方向时，在固定处最大应力值为15.88 MPa，安全裕度=200 MPa÷15.88 MPa-1=11.5。仿真结果表明，随机振动和正弦振动所引起的模块内部应力变形较小，自身抗振动性能很好，安全裕度满足使用环境要求。

图7 振动应力云图

2.2 电路仿真设计

为验证有源箝位电路设计的符合性，基于MATLAB/Simulink 建立仿真模型，如图8 所示，仿真参数如表2 所示。

表2 仿真参数

图8 仿真模型

得到的电路关键波形如图9 所示。

图9 仿真波形

仿真主功率MOS 管的最高电压为115 V，电流峰值为9.5 A，从输出启动波形可以看出28 V 上升时间约17 ms，无超调，满足系统应用需求。

2.3 单机测试结果

对电源模块进行功能测试，包括输出电压及输出电流、输入电压调整率、输出电压稳定度、效率、输入反射纹波、输出电压纹波、输出启动时间、过流保护和过压保护。电源模块的常温电性能指标均满足系统需求，效率达到88.53%，较传统方式效率指标得到大幅度提升，电性能测试结果如表3所示。为验证该模块环境力学适应性，进行正弦振动、随机振动和冲击试验，试验前后数据一致，试验过程中监测数据正常，能够满足宇航力学环境使用要求。

表3 电性能测试结果

对单机进行电磁兼容测试，依据国军标GJB151B-2013 进行CE102、CE107、CS101、CS114 和RS103 等测试项目，测试结果如表4 所示。

表4 电磁兼容测试结果

电源模块满载工作，输入电压60 V，工作电流3.93 A，合格判据为3 路输出电压为28、5、-5 V 范围内为正常。电源模块合格通过5 项测试，具备良好的电磁兼容特性，其中典型CE102 正线测试曲线如图10 所示。

3 结论

本文利用厚膜混合集成工艺，从系统配置的最小供电单元角度出发，灵活地将多个功能单元集成到一个微组装模块中，构建功能完善且体积小、质量轻、效率高、可靠性高的可重构分布式供电模块。系统级厚膜混合集成阵面电源的效率从78%提升到88%，质量比功率从115 W/kg 提升到767 W/kg，体积比功率从0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

电源模块内部功能单元可以组合变化，形成可重构的电源模块，适应系统复杂度需求。电源模块内部集成设计EMI、多个DC/DC 变换器和各种功能单元，有效提升了系统的集成度和适应性，具备良好的电磁兼容性能，能够满足天线阵面供配电系统的高集成度和轻量化的应用需求。