高可靠性与超宽环境温度的混合集成DC/DC变换器的

摘要：电源，特别是在国防上应用的电源，由于其环境条件的恶劣，从而对电源性能的要求也愈来愈严格。介绍一种作者为国家级重点军品项目开发、研制的，具有超宽工作环境温度（－60℃～＋125℃，150℃短时间工作3min）和高可靠性、高频率的厚膜混合集成DC/DC电源变换器，并提出设计此特种电源所要遵守的原则及注意事项。关键词：高可靠性；超宽环境温度；特种电源；开关电源DesignProceduresofHybridIntegrated DC/DCConverterwith

HighReliabilityandSuperwideAmbientTemperature

WANGQigangAbstract:Abriefintroductionwillbegiventothereadersabout anewtypeofhighreliabilityandhighfrequencythickfilmhybridintegrated DC/DCpowersupplyconverterhavingbeendevelopedfornationalkeyprojects inmilitaryproducts.Therangeofthesuperwideoperatingambienttemperature isfrom－60℃to＋125℃,shorttimeoperatingfor3minutesat150℃.Therefore theprinciplesforobeyingandtherulestotakecareareofferedwhenperforming thedesignproceduresofthespecificpowersupply.

Keywords:Highreliability;Superwideambienttemperature;Specificpower supply;Switchingpowersupply中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：0219－ 2713(2002)10－0539－05

1引言

近年来电源设备日趋复杂，元器件的品种和数量增加很快，使用环境也变得恶劣多样，而所服务的电子系统又越来越重要和昂贵，特别是军用装备，尤其是航空、航天上的元器件及系统可靠性的要求就更高了。开关电源向着高频、高可靠、低耗，低噪声、抗干扰和模块化的方向发展，供电方式由集中供电向分布式供电发展。DC/DC变换器的需求越来越大，同时对可靠性提出了更高的要求。采用厚膜混合集成电路的形式既能使电路小型化又能达到高可靠性。本文介绍一种作者为我国重点军品项目研制、开发、生产的高可靠、超宽工作环境温度（－60℃～＋125℃）的特种厚膜化电源。并提出研究此特种电源所要遵守的原则及注意事项，尤其是围绕此特种电源进行的可靠性设计。

此厚膜混合集成化电源YH12D12的主要技术指标如下：

1）输入电压18～36V。

2）输出电压±（12±0.5）V。

3）输入电压调整率1.5％。

4）输出电压温度系数0.025％/℃。

5）最大输出电流±70mA。

6）工作环境温度－60℃～125℃。

7）环境老化要求低温－55℃，高温＋125℃。

8）温度循环－55℃～125℃，5次。

9）高温功率老化125℃、96h，150℃、3min。

10）机械冲击试验恒定加速度49000m/s2，1min。

11）振动试验0～2000kHz。

12）随机振动试验功率谱密度为功能试验

0.07g2/Hz，结构试验0.09g2/Hz。

13）外形尺寸30mm×20mm×8mm平行封焊。

2可靠性设计

21可靠性的定义

国际上，通用的可靠性定义为：在规定环境条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统，也适用于一台设备或一个单元。由于故障出现的随机性质，用数学方式来描述可靠性，常用“概率”来表示。从而，引出可靠度[R（t）]的定义：系统在规定环境条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。

如系统在开始（t=0）时有n0个元件在工作，而在时间为t时仍有n个元件在正常工作，则可靠性R(t)=0R(t)1（1）失效率λ(t)=－()（2）

（λ的单位为FITS=10－9失效/h）

λ定义为该种产品在单位时间内的故障数，即λ=dn/dt。

如失效率λ为常数，则=－λt（3）

n=n0e－λt（4）

R(t)=e－λt0<t<工作寿命（5）MTBF（平均无故障时间）=（6）

涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的主要误区是把可靠性完全（或基本上）归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计对于可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所列。

表1整机出现故障的原因故障原因占总失效数的百分比/％
设计上的原因元器件质量上的原因操作和维护上的原因制造上的原因40302010
在民用电子产品领域，日本的统计资料表明，可靠性问题80％源于设计方面。（日本把元器件的选型，质量级别的确定，元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。总之，对系统的设计者而言，需明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性引为重要的技术指标，认真对待可靠性的设计工作，并采取足够的提高可靠性的措施，才能使系统和产品达到稳定、优质的目标。

此特种电源的主要设计难点在于在有限的空间内（电源小型化要求）制造出能够在125℃ 环境温度下长期稳定、可靠工作的DC/DC电源。而电源产品不可避免地要消耗能量使自身发热。一般来说，如果电源具有输出功率在1～2W之间，且多路输出（双路以上），并且要求输出隔离等特点，则此类电源的最高效率仅为65％左右，即就是说要有近一半的能量消耗在电源自身，使电源发热。

元器件实际工作中的负荷率与失效率之间存在着直接的关系。因而，元器件的类型，数值确定以后，应从可靠性的角度来选择元器件必须满足的额定值，如元器件的额定功率、额定电压、额定电流等。

22环境温度及负荷率对可靠性的影响

从以下的资料可以看到，元器件的环境温度和使用负荷对于可靠性的影响是如何巨大。

1）半导体器件（含各种集成电路和二极管、三极管）

例如硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计（PD：使用功率，PR：额定功率），则环境温度对可靠性的影响，如表2所列。

表2环境温度对半器件可靠性的影响环境温度Ta[℃]205080
失效率λ[1/10－9h]500250015000
由表2可知，当环境温度Ta[℃]从20℃增加到80℃时，失效率增加了30倍。

环境温度Ta=50℃，PD/PR对失效率的影响如表3所列。

表3PD/PR对硅半导体器件失效率的影响PD/PR00.20.30.40.50.60.70.8
失效率λ[1/10－9h]3050150700250070002000070000
由表3可知，当PD/Pn=0.8时，失效率比0.2时增加了1000倍以上。

为了提高产品的可靠性，抵消由于＋125℃高温环境所引起的失效率的增加，此类特种电源的硅半导体器件和FET器件的使用负荷设定小于0.1。

2）电容器（以固体钽电容器为例）

以UD/UR=0.6设计（UD：使用电压，UR：额定电压），则环境温度对可靠性的影响如表 4所列。

图1元器件失效率的盆底曲线