一种厚膜混合集成星载二次电源设计

摘 要：

针对星载雷达配套二次电源高功率、高效率、小型化的需求，提出一种二次电源设计方案。详细介绍电路设计方案和工艺设计方案，在电源模块内集成功率变换、电涌抑制、电磁干扰（EMI）滤波、保护等多种功能电路，工艺上以厚膜混合集成微组装工艺为基础，结构上采用双层组装结构设计，并进行仿真分析。最后研制样机并进行测试。经过测试验证，所设计的二次电源相比传统电源，体积缩减了85%、重量减轻了74%，可以为星载雷达配套二次电源提供小型化、轻量化的解决方案。

关键词：

二次电源; 星载雷达; 混合集成; 微组装; 厚膜技术

中图分类号： TM46

文献标志码： A

文章编号： 2095-8188（2024）09-0051-09

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.008

Design of a Thick Film Hybrid Integrated SpaceborneSecondary Power Supply

ZHENG Dong， DONG Xiaowei， GAO Donghui， HUANG Yuwei

（The 43rd Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）

Abstract：

A design method for the secondary power supply is proposed to meet the demand of high-power， high-efficiency， and miniaturized secondary power supplies for spaceborne radar systems.The circuit design and the process design schemes are introduced in detail.The various functions such as power conversion， surge suppression， EMI filtering， and protection are integrated in the power module.The process is based on thick-film hybrid integrated microassembly technology and the structure adopts a double-layer assembly structure design.The simulation analysis is carried out.Finally， a prototype is developed and tested.Test results are confirmed that compared to traditional power supplies， the designed secondary power supply has reduced volume by 85% and weight by 74%，which can offer a miniaturized and lightweight solution for spaceborne radar system’s secondary power supply needs.

Key words：

secondary power supply; spaceborne radar; hybrid integration; microassembly; thick film technology

0 引 言

星载雷达系统中，相控阵雷达的作用精度高、功能性强，因此受到广泛应用。随着雷达技术的发展，相控阵雷达的规模越来越大，对其设备的小型化和轻量化也提出了更高的要求［1］。传统的供电电源多采用二次电源组件的方式，其内部由标准电源模块和外围电路构成，外部则是铝合金或镁合金的封装外壳。由于该类电源模块集成度较低，实际使用时需要配置较多的外围电路。这种二次电源组件的体积和重量都不能满足雷达的小型化和轻量化设计要求［2-3］。

为解决上述问题，提出一种厚膜混合集成二次电源设计方案。该设计方案在二次电源内部集成了3路隔离功率变换电路，同时包含电涌抑制电路、电磁干扰（EMI）滤波电路、控制指令电路、辅助源电路、二次滤波电路、保护电路等。工艺上摒弃传统的表面贴装（SMT）工艺，而是采用厚膜混合集成微组装工艺，将铝硅等新型轻质材料作为封装外壳，内部采用双层组装架构，下层以外壳底座表面为组装面，上层则设计了一层钛合金板作为上组装面，使得空间利用率提高1倍，实现了雷达供电电源的微组装一体化设计。

1 电路设计方案

1.1 设计目标

设计一款星载雷达配套的二次电源，其主要功能是将一次电源母线100 V直流电压转换为系统所需要的3种电压输出，分别为+42 V/7 A、+5 V/3 A和-5 V/1 A，给系统中的发射/接收（TR）、波控等组件供电。为了确保供电稳定可靠，需要为二次电源设计电涌抑制、输入欠压保护、输入熔断保护等功能。由于二次电源非线性的工作特性，其工作中会产生较大的电磁干扰［4］，因此还需要设计EMI滤波电路，解决与系统的电磁兼容问题。

1.2 电路设计

结合二次电源产品的设计目标，电路设计原理框图如图1所示。

二次电源电路由输入保护电路、电涌抑制电路、EMI滤波电路、直流-直流（DC/DC）变换电路、输出滤波电路和其他功能电路组成。

输入保护电路：滤波器和DC/DC变换器均为挂接在一次电源母线上的器件，如果器件内部发生短路，将直接威胁一次母线的安全，对整机威胁很大，必须采取可靠措施保护一次电源。

输入端滤波电路：减少一次电源母线上的噪声对DC/DC变换器的干扰，同时抑制DC/DC变换器中振荡电路产生的噪声反射到一次电源母线，满足系统电磁兼容性要求［5］。

电涌抑制电路：在负载连通或断开的瞬间，确保一次电源母线正常供电，将一次母线电涌电流控制在安全的范围内，保护后面器件工作安全。

为满足设计目标对于输出纹波的要求，二次电源输出端需要加入必要的二级滤波电路。

1.2.1 电涌抑制电路

电涌抑制电路通过设置MOSFET管并让其缓慢开启来抑制电涌电流。输入电涌电流抑制电路如图2所示。在供电地线上串接N沟道MOSFET管，其栅极电压受前端设计的RC充放电网络控制。当一次电源建立后，电容两端的电压不能突变，MOSFET管的栅源极电压被箝位在0 V，MOSFET管处于截止状态，没有电流通过;随着一次电源通过分压电阻对电容充电，电容两端的电压逐渐升高，当电压达到MOSFET管的阈值电压后，MOSFET管进入放大区，其特性相当于一个阻值逐渐减小的可变电阻，因而电涌电流得到抑制;通过调整RC的充电时间常数，可得到需要的电涌电流抑制效果。当电容两端的电压达到使MOSFET管饱和导通后，MOSFET管饱和导通成为一个小电阻，电路正常工作。在MOSFET管缓慢开启的过程中，输入电涌电流消耗在MOSFET管的导通电阻上，从而保护后置电路及DC/DC变换器。

1.2.2 EMI滤波电路

EMI滤波电路主要由共模滤波电路和差模滤波电路组成。EMI滤波电路如图3所示。电路的基本工作原理如下：当供电系统的扰动或干扰噪声进入EMI滤波电路并经过EMI滤波电路的共模滤波电路和差模滤波电路后，噪声被抑制到开关电源可接受的范围内，保证DC/DC电源的正常工作。当DC/DC电源的噪声进入EMI滤波电路时，同样经过共模滤波电路和差模滤波电路后，被抑制到系统母线可接受的范围内，保证前端供电系统的正常工作。因此，EMI滤波电路具有双向作用，可起到很好的隔离效果。

EMI滤波器通常设计为低通滤波器，主要由电感、电容、电阻等无源器件组成［6］。为了保证有效抑制噪声，差模滤波电路和共模滤波电路部分通常采用多级串联的方式。本方案综合考虑滤波效果、尺寸、重量因素，采用两级差模和两级共模的方案。

1.2.3 DC/DC变换电路

DC/DC变换电路在充分考虑满足用户需求的情况下，优先选用成熟应用的具有飞行经历的拓扑结构和外围电路。

+5 V、-5 V输出选用单端反激电路拓扑结构电路，其特点是电路结构简单、需要的器件较少，有利于小型化设计［7］。辅助供电采用RCC自激振荡电路，脉冲宽度调制（PWM）控制器选用XXXX02FCD，驱动采用变压器隔离驱动。+5 V和-5 V输出电路原理框图如图4所示。

+42 V输出选用硬开关全桥+次级肖特基全桥整流电路拓扑结构电路，其特点是输出功率大、磁芯利用率高［8］，有利于提高功率变换的效率。辅助供电采用RCC自激振荡电路（与±5 V共用），PWM控制器选用XXXX02FCD，驱动采用隔离驱动器驱动。+42 V输出电路原理框图如图5所示。

基本工作原理：输入的直流电压经输入L、C滤波，由隔离供电电路提供辅助电压，并由PWM控制器产生高频驱动信号，通过隔离驱动电路驱动一次侧VDMOS管工作，同时使变压器工作在高频状态，进而完成能量由初级向次级传递，次级输出经整流、滤波后得到所需要的直流电压。为了实现电压的稳定输出，采用输出电压取样，经与基准电压比较、放大及隔离反馈后控制PWM控制器的占空比，从而实现输出电压的闭环控制，同时实现输出过压保护功能。在电路设计中，对功率开关管的电流进行采样，实现输出过流、短路保护等功能。

2 工艺设计方案

2.1 结构设计

2.1.1 外部封装设计

二次电源整体采用金属全密封外壳封装，壳体材料选用铝硅材料。铝硅具有良好的导热性能，热导率达120 W/（m·K），是常规10#钢的3倍;密度小，重量是同尺寸10#钢外壳的1/3;热膨胀系数与10#钢基本一致，与Al2O3陶瓷热膨胀系数相当，可避免温度循环以及长期老化对二次电源产品质量的冲击［9］。

二次电源外壳侧壁上端使用Au80Sn20焊接工艺焊接10#钢材质封口环，并采用平行缝焊工艺密封。接插件采用Au80Sn20焊接工艺封接在外壳上。外壳设计图如图6所示。

2.1.2 内部结构设计

二次电源内部元器件较多，组装密度较高，因此内部结构设计采用混合集成工艺组装。为了尽可能地增加可组装面尺寸，设计了双层组装结构。

二次电源内部按照布局分为上、下2层，外壳底座表面为下组装面，外壳设计固定凸台并安装钛合金板为上组装面。钛合金板具有强度高、热膨胀系数与陶瓷基板接近的优点，可用作混合集成电路二次电源产品上层悬空支撑金属板，本项目中选用1.2 mm厚钛合金板，其强度可满足应用需求。

二次电源的功率变换部分包含大量功率器件，如功率MOS管、肖特基二极管、大功率变压器、电感器等，考虑到器件散热需求，设计组装在下组装面或外壳侧壁，降低对外热阻。

二次电源的输入EMI滤波电路、电涌抑制电路、信号控制电路等，由于其属于非功率器件，设计组装在上组装面。

功率部分根据电路电流大小及散热要求，采用厚膜BeO、AlN覆铜基板工艺，降低二次电源产品大电流通路阻抗。信号部分采用厚膜基板多层布线工艺，最大限度地提高二次电源产品密度，降低封装尺寸。功率部分基板和信号部分基板采用焊接工艺组装至金属封装外壳内的上下组装面，实现二次电源产品密封封装。电路结构设计图如图7所示。

2.2 基板工艺设计

2.2.1 厚膜成膜工艺途径

二次电源电路内部上层的输入功率部分使用厚膜BeO基板，热导率为200 W/（m·K），可最大限度降低功率MOS管对外热阻，其中导体使用低方阻的PtAg浆料，方阻为1～2 mΩ/方（1方=0.7 mm×0.7 mm）。版图布线设计时充分考虑

降低大电流通路的方数，以降低厚膜导体中大电流通路的总阻抗。

上层信号控制电路使用的厚膜工艺基板，载体采用Al2O3基板，导体制作采用Au、PtAg导体材料，成膜电阻应用激光有源调阻方式微调，可实现3层导体布线，提升信号部分组装密度，降低封装尺寸。

厚膜成膜主要是采取丝网印刷漏印工艺，将待制作的导体、绝缘、电阻、包封等黏性浆料漏印到陶瓷基片上，然后通过烘干烧结以去除印刷后的图形中的有机成分，并使具有黏接性能的玻璃、氧化物的功能通过高温扩散、化学反应与基底材料连接起来。由于厚膜成膜材料为黏性材料，需要烘干或烧结后才能去除具有黏性的有机成分，为便于工艺操作，每种材料印刷后均需要烘干或烧结才能制作下一层，典型的成膜工艺流程为“—丝网印刷—烘干烧结—丝网印刷—”。典型的成膜基板结构图如图8所示。

2.2.2 覆铜基板工艺途径

二次电源下层功率变换部分采用的高导热AlN覆铜基板，可以降低二次电源损耗、提高效率，并为功率元器件散热至地板提供良好的低热阻途径。

AlN陶瓷覆铜板由铜片和陶瓷基板构成。覆铜板照片如图9所示。AlN覆铜板介质材料为陶瓷基板，具有热导率高［170 W/（m·K）］、绝缘耐压大、耐热等优点，其所用的铜片为高纯无氧铜，Cu含量超过99.99%，铜片厚度一般为0.1～0.3 mm，因此具有优异的导电性能和非常强的载流能力［10］。

2.3 抗辐射设计

星载二次电源的工作环境极为特殊，长期暴露在各种粒子和射线的辐射中，因此防护的主要手段是屏蔽防护。通过密封的金属外壳可以屏蔽大部分的辐射，同时在设计时需充分考虑元器件级的防护［11］。

元器件级的防护主要是针对二次电源的辐射敏感器件，选择辐射加固的型号。二次电源中，内部阻容元件、磁性元件、二极管、三极管等器件均对辐射不敏感。对辐射敏感的器件，如PWM控制芯片、驱动器、MOS管等器件，需要进行一定的抗辐射加固。辐射敏感元器件如表1所示。所选择的器件均具有一定的抗辐射指标。

3 仿真分析

3.1 热学仿真

仿真分析前，需要建立二次电源热仿真网络模型，通过对二次电源几何模型进行必要简化，删除不影响散热的器件（如连接器等）。热仿真网格模型如图10所示。

仿真主要参数设置如下：仿真模式设置为稳态分析;起始温度设置为50 ℃，电源底部外侧设置为恒温50 ℃，仿真至工作温度稳定;基板为Al2O3材质，底座为铝硅（SiAl），中间隔板为钛合金，封口环为10#钢，盖板为4J29。

二次电源稳态工作时仿真温度分布如图11所示。

图11 二次电源稳态工作时仿真温度分布

由图11可知，最高元器件结温为91.1 ℃，发生在功率最大的变压器上，MSOFET管等功率较大的器件结温为82.4 ℃，未超过Ⅰ级降额要求85 ℃。

3.2 力学仿真

二次电源力学分析网格模型如图12所示。在二次电源6处Φ3.3通孔设置固定约束，模拟安装条件，钛板上元器件质量以均布质量的形式进行模拟，添加30 g的均布质量。模型建好后分别进行模态分析和随机振动仿真分析。

3.2.1 模态分析

模态分析前6阶振型及频率仿真结果如图13所示。一阶基频为820 Hz。由模态结果可知，垂直电源板安装方向（即厚度方向）为振动敏感方向。

3.2.2 随机振动

随机振动试验条件如表2所示。

按照振动条件，在振动敏感方向加载。二次电源应力及变形分布如图14所示。由图14可知，钛板的最大应力为8.5 MPa、最大变形为0.004 mm，盖板最大应力为126.2 MPa、最大变形为0.154 mm，铝硅底座的最大应力为9.6 MPa、最大变形为0.003 mm。

由随机振动仿真结果可知，盖板最大变形约为0.154 mm，需要进行一定加固。根据器件布局情况，在功率变压器上方点胶，对盖板进行黏接加固。盖板加固后一阶振型、随机振动下变形及应力情况如图15所示。一阶基频由820 Hz提高到1 139 Hz，盖板变形由0.154 mm下降到0.103 mm，最大应力由126.2 MPa下降到100.6 MPa。

综合模态分析和随机振动仿真分析，二次电源在规定力学试验下，最大变形为0.103 mm，满足使用要求，最大应力为100.6 MPa，取安全系数1.5，安全裕量Ms＞0，故满足力学使用要求。

4 试验结果

根据设计方案开展样品试制，并对试制样机进行测试。二次电源样机测试结果如表3所示。

电源电压建立波形如图16所示;输出纹波电压如图17所示。

试制样品与传统组件电源的实物对比如图18所示。由图18可知，按照混合集成方案的二次电源样机，其尺寸和重量相比传统方案大大减小了。

5 结 语

本文提出一种高度集成化厚膜混合集成二次电源，包含+42 V、+5 V、-5 V三路输出，总功率达到314 W，效率达到88.7%。功率密度到达了101 W/in3。相对于传统方案，体积缩减了85%，重量减轻了74%，有利于系统的小型化和集成化，可以满足星载系统设备高度集成化的要求。

【参 考 文 献】

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收稿日期： 2024-06-21