一种星载微波接收机应用的全集成厚膜电源设计

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SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY
2021年第2期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术
一种星载微波接收机应用的全集成
厚膜电源设计①
刘少鹏,邵小亮,罗㊀聃,朱㊀海,阳晓彬,汪㊀蕾
(中国空间技术研究院西安分院,西安㊀710000)
㊀㊀摘㊀要:应新一代小型化㊁轻量化星载微波接收机需求,借鉴引进的国外微波接收机全集成厚膜电源设计理念,采用轻质化硅铝材料和LTCC厚膜集成技术的新方案设计了一种应用于星载微波接收机的全集成厚膜电源㊂该厚膜电源模块为全集成设计,除了实现DC-DC基本功能,还集成了EMI滤波器以及多个功能电路单元,模块可直接和卫星平台配电系统对接㊂本产品是接替上一代为微波接收机配套的传统PCB电源,传统PCB电源体积为125mm∗110mm∗25mm,重量350g,新一代小型化厚膜电源体积为77mm∗57mm∗15mm,重量为105g,体积和重量较上一代大幅减小;引进的微波接收机全集成厚膜电源体积为85mm∗75mm∗20mm,重量为200g,本产品在体积和重量上也明显小于采用传统厚膜集成方案的引进件㊂目前多个电源模块随新一代微波接收机在轨飞行,状态良好㊂关键词:硅铝;低温共烧陶瓷;厚膜电源;微波接收机
中图分类号:V19㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1674-7135(2021)02-0041-07
D O I:10.3969/j.issn.1674-7135.2021.02.007
Design of a fully integrated thick-film power supply for
space-borne microwave receiver
LIU Shaopeng,SHAO Xiaoliang,LUO Dan,ZHU Hai,YANG Xiaobin,WANG Lei
(China Academy of Space Technology(Xi an),Xi an㊀710000,China)
Abstract:To meet the demand of a new generation of miniaturized and lighweight satellite-borne microwave receiver and drawing on the design concept of fully integrated thick-film power supply for imported microwave receiver,a fully inte-grated thick-film power supply for space-borne microwave receiver is designed by adopting the new scheme of the application of light silicon-aluminum and LTCC thick-film integration technology.The thick-fikm power supply module is a fully integrat-ed design,which not only realizes the basic functions of dc-dc,but also integrates the EMI filter and several functional circuit units.The module can be directly connected with the power distribution system of satellite platform.This product is a re-placement for the traditional PCB power supply of the previous generation,which is matched with the microwave receiver. The volume of the traditional PCB power supply is125mm∗110mm∗25mm,and the weight is350g.The volume of the new generation of miniaturized thick-film power supply is77mm∗57mm∗15mm,and the weight is105g,with the volume and weight greatly reduced compared with the previous generation.The volume of the imported microwave receiver's fully inte-grated thick-film power supply is85mm∗75mm∗20mm,and its weight is200g.The volume and weight of this product is al-so significantly smaller than that of the imported power module which adopts the traditional thick-film integration scheme.At present,several power modules are flying in orbit with the new generation of microwave receivers and are in good condition.
Key words:silicon-Aluminum;LTCC;thick-film power supply;microwave receiver
①收稿日期:2020-05-13;修回日期:2020-06-30㊂
作者简介:刘少鹏(1987 ),工程师,主要研究方向:星载电源技术㊁混合集成电路㊂E-mail:liushaopeng84130@
0㊀引言
随着卫星技术的发展,卫星功能日新月异,有效载荷数量增速显著,为承载更多的载荷,分系统和整机的体积㊁重量须大幅减小㊂微波接收机作为需求数量众多的整机产品,性能优越㊁功能稳定的小型轻量化接收机产品对卫星有效载荷的发展具有重要意义㊂电源是有源整机中必不可少的模块,而且往往是最大的模块,所以为实现整机的小型化,电源模块的小型化㊁轻量化尤为关键㊂一般电源有两种实现方式,一种是传统PCB电源,电路中的器件均为分立器件,分立器件占用面积大,不利于小型化设计,电源的体积和重量较大;另一种是采用标准厚膜电源和厚膜EMI滤波器搭积木方式设计,虽然单个标准模块体积和重量很小,但整个电源需要多个标准厚膜模块,同时还需外围控制电路和结构壳体,因此体积和重量也很大㊂要实现微波接收机电源小型化和轻量化目标,需采用全集成厚膜集成方式进行设计,同时在厚膜集成设计中需采用布线密度高的陶瓷基板以及应用轻质的金属材料制作电源盒体㊂
厚膜集成技术是集电子材料㊁多层布线技术㊁表面微组装及平面技术于一体的微电子技术㊂厚膜材料是有机介质渗入微细金属粉㊁玻璃粉或陶瓷粉末的混合物,通过丝网漏印工艺,印制到绝缘基板上㊂基板一般为非导体,大多数常用基板为各种陶瓷,96%或99%的氧化铝(A12O3)㊁氧化铍(BeO)和氮化率(AlN)㊂在带式烧结炉内烧结,烧结温度控制在850ħ~950ħ之间[1]㊂此外,在微波电路设计中,低
温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)技术应用广泛,它是集互联㊁无源元件和封装于一体的多层陶瓷制造技术,具有多层结构特点,可将多个无源元件埋入其中,在层数很高的三维电路基板上,实现无源和有源的集成㊂该技术结合厚膜工艺,改进了高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics,HTCC)工艺,降低其烧结温度,陶瓷和高电导的金属可以在约900ħ左右的温度下共烧[2-4],高电导金属的应用使得LTCC技术的应用更加广泛㊂
1㊀方案设计
1.1㊀厚膜电源功能模块
本产品是全集成厚膜电源,除了实现将卫星平台母线电压转换成后级负载所需要的三路电压这一基本DC-DC功能外,还集成了EMI滤波器,以达到良好的电磁兼容特性㊂同时根据卫星平台的接口要求,集成了开㊁关机电路,遥测电路,过流保护电路,欠压保护电路和保险丝电路,集成度高,使得整个电源能实现最小化设计㊂各电路功能模块如图1所示
:
Fig.1㊀Block diagram of power module function 1.2㊀轻质化硅铝材料和LTCC厚膜集成技术的应用
厚膜电源常用的壳体材料为可伐(密度8.2g/cm3)或10#钢(密度7.8g/cm3),2者密度都很大,为减小电源壳体重量,需采用低密度且与陶瓷基板匹配性好的金属材料㊂微波模块中常用的硅铝合金(密度2.5g/cm3),具有密度低㊁热膨胀系数低㊁热导率高㊁机加性能良好等诸多优点,在航空㊁航天方面是非常有应用前景的电子封装材料[5]㊂值得注意的是硅铝盒体密封需激光封焊,硅铝合金由于存在脆性硅颗粒,在封焊过程中高温度梯度作用下容易产品裂纹[6],封焊良率较平行缝焊低㊂为最大限度的实现小型化和轻量化,提高配套微波接收机的竞争力,综合考虑最终选择了硅铝材料制作电源壳体㊂
厚膜电源常采用96%氧化铝陶瓷作为电路基板,在业界应用成熟,具有成本低,综合技术指标优异的特点㊂国外引进件采用的也是传统氧化铝的厚膜集成方案㊂但氧化铝布线只有2~3层,层间过孔不能设置在焊盘底下,层间不能集成无源器件㊂相比LTCC基板具有多层布线的优势[3],层间过孔为实心孔,可设置在器件焊盘底下,同时中间层可以集成厚膜电阻㊂鉴于LTCC基板集成度更高,更能最大限度的实现小型化,电路基板最终选择了LTCC基板㊂1.3㊀厚膜电源工艺流程
根据厚膜电源的产品特点,综合考虑电源的结构㊁版图以及工艺材料,设计了如图2的厚膜电源工艺流程㊂包括基板的制备,基板与管壳的组装,元器件的组装和模块测试流程㊂
24空间电子技术2021年第2期
图2㊀厚膜电源工艺流程图
Fig.2㊀Thick film power supply process flow chart
2㊀电路设计
2.1㊀功率电路设计
为实现电源的小型化和轻量化,从拓扑选择上尽量选择适合小型化的电路拓扑,由于磁性元器件在电源模块中所占的体积较大,因此尽可能选择磁性元器件使用数量少的拓扑㊂本设计最终采用了反激电流馈电推挽拓扑,磁性元器件少,适合集成设计,且开关管驱动为直接驱动而非悬浮驱动,驱动电路简单,可靠性高[7,8],同时此拓扑输出整流不需要储能电感,因此从驱动和整流滤波上减少了磁性元器件的使用数量㊂电源拓扑图如图3所示
㊂
Fig.3㊀DC-DC topology diagram
2.2㊀开关频率设计
开关电源中磁性元器件和滤波电容通常是电源模块中体积最大的,在给定功率容量下,若要减小磁性元器件和滤波电容的体积,就要提高电路的工作频率,但工作频率的提升会增加电源开关管的开关损耗和整流二极管反向恢复损耗,开关频率的设定是个折中的过程[9,10]㊂本次电源模块的主要目标是小型化,在效率允许的前提下,尽可能提高电路工作频率,最终电源模块的开关频率定在了400K㊂2.3㊀EMI滤波器设计
功率变换器开关管在开通和关断过程中会产生电磁干扰,开关过程中产生的噪声干扰会通过传导和辐射的方式影响周围的电磁环境,从而影响周围设备的正常工作㊂同时电源工作中也要抑制外来的电磁干扰,防止其对后级设备产生影响[11]㊂
为了实现小型化目标,在满足应用的前提下,EMI 滤波器采用了最简单的电路形式,由一级共模滤波电路和一级差模滤波电路组成,以实现良好的双向滤除交流信号的能力㊂其中共模滤波电路由共模电感L1和共模滤波电容C1~C4组成,差模滤波电路由差模电感L2㊁差模电容C5和阻尼电阻R1组成
㊂
Fig.4㊀Input EMI filter circuit
3㊀厚膜电路集成设计
3.1㊀厚膜电阻设计
厚膜电阻在陶瓷基板上是通过丝网印刷制备的,厚膜电阻采用方阻设计,不同的电阻浆料其方阻不同[12]㊂常用的电阻浆料方阻RѲ有10Ω/Ѳ, 100Ω/Ѳ,1KΩ/Ѳ,10K/Ѳ,100KΩ/Ѳ等㊂为了便于制造加工,同一块基板上尽量减少浆料的种类,设计中建议不超过5种浆料㊂图5是厚膜电阻的示意图㊂
图5㊀厚膜电阻设计
Fig.5㊀Thick film resistance design
如图5,电阻阻值R=
L
W
ˑRѲ,为有效厚膜电阻
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长度L与宽度W的比值乘以RѲ方阻㊂其中A㊁B㊁C 根据厂家的设计规范合理取值㊂为了减少制造难度,结合厂家现有浆料种类,本设计中采用了3种厚膜电阻浆料10Ω/Ѳ,1KΩ/Ѳ,10K/Ѳ㊂其余电阻采用小封装片式电阻㊂
3.2㊀芯片装配设计
电源模块中应用了多种芯片,包括脉宽调制器,运算放大器,二极管,三极管,功率MOS管㊂在厚膜电路中,这些芯片的呈现形式是裸芯片㊂裸芯片的组装有两种方式,采用导电胶粘接或者回流焊接㊂对于小功率芯片,采用导电胶进行粘接;对于大功率器件,一般采用回流焊接工艺[13]㊂
芯片本体组装之后,对于小电流的芯片采用金丝进行键合㊂功率芯片,比如功率MOS管和功率二极管,采用粗硅铝丝进行键合,实际设计中根据电路中芯片过电流的大小键合多根硅铝丝进行分流㊂同时粗铝丝不能直接键合在基板膜层上,键合时需要铜铝过渡块进行转接㊂图6和图7分别为小功率芯片和大功率芯片装配图
㊂
㊀㊀图6㊀小功率芯片装配图㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图7㊀大功率芯片装配图
㊀㊀Fig.6㊀Assembly diagram of small power chip㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.7㊀Assembly diagram of high-power chip
3.3㊀磁性元器件装配设计
通过提高开关频率,减小了磁性元器件的体积,同时在装配方式上,也尽可能利用壳体的高度空间,减小安装面积㊂对于环形电感可采用立式安装的方式,减小安装底面积;对于变压器选择占底面积较小的RM型或者罐形磁芯㊂本产品电感采用了环形磁芯,为立式安装方式,变压器采用了RM型磁芯㊂
4㊀产品图片及试验结果
4.1㊀产品的体积和重量
如图8-图11所示,整个电源模块的体积为77mm∗57mm∗15mm,重量为105g,冲氮气密封㊂
图8㊀模块长度㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图9㊀模块宽度Fig.8㊀Module length㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.9㊀Module
width
图10㊀模块高度㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图11㊀模块重量
Fig.10㊀Module height㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.11㊀Module weight
44空间电子技术2021年第2期
4.2㊀厚膜集成组装图
如下图12-图15所示,图12为厚膜电阻,通过丝网印刷在陶瓷基板上形成电阻膜层,电阻中间的划痕为激光调阻,基板制作时大约设计阻值为目标
值的70%,基板成型后通过激光调阻,使其达到目标值[14]㊂图13为小功率芯片的装配图,采用金丝键合;图14为功率MOS 的装配图,采用硅铝丝进行键合;图15为变压器的装配图
;
㊀图12㊀厚膜电阻㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图13㊀小功率芯片的装配
㊀Fig.12㊀Thick film resistance㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.13㊀Assembly of a small power
chip
图14㊀功率MOS 管的装配㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图15㊀变压器的装配㊀㊀
Fig.14㊀Assembly of power MOS chip㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.15㊀Assembly of transformer ㊀㊀
4.3㊀主要波形测试
为了减小产品体积,本设计将开关频率提高到了400K,图16为实测三角波频率393K,图17为2
个推挽开关管的驱动波形,单个驱动频率为197K,为三角波频率的一半㊂
㊀㊀图16㊀三角波测试㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图17㊀推挽开关管驱动测试
㊀㊀㊀Fig.16㊀Test of triangle wave㊀㊀㊀㊀㊀㊀Fig.17㊀Drive test of push-pull switch tube
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42021年第2期刘少鹏,等:一种星载微波接收机应用的全集成厚膜电源设计
4.4㊀微波接收机EMC 性能测试
电源模块随微波接收机,依据GJB151B -2013‘军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量“进行EMC 鉴定试验,试验项目有CS101,CE102,RE102,CS114,CS115,CS116,RS103,CE106,CE107,ESD㊂除了CE102在开关频率及倍频处有超差外,其余项目随
整机均通过了鉴定级试验㊂
图18为CE102测试结果,主频率为392K,此为电源的开关频率㊂CE102在开关频率及倍频处超标,是因为设计EMI 滤波电路时,主要考虑了小型化的需求,差模滤波电路采用了一级,同时滤波电容㊁滤波电感取值较小,滤波能力偏弱㊂但电源开关频率主频和谐波分量超差小于4db,满足应用要求㊂
5㊀产品性能对比
引进的全集成厚膜电源,其产品形态及技术指
标[15],如图19㊁图20所示㊂表1为本产品与引进件以及传统电源对比
㊂
图18㊀CE102测试曲线Fig.18㊀Test curve of
CE102
图19㊀引进件厚膜电源㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图20㊀引进件厚膜电源技术指标
Fig.19Import of thick film power supply㊀㊀㊀㊀㊀Fig.20㊀Technical specifications of the import
thick film power supply
表1㊀产品技术对比
Tab.1㊀Comparison of product technology
对比表新研厚膜电源国外引进件传统电源技术路线LTCC 厚膜电源氧化铝厚膜电源PCB 电源应用范围星载微波接收机
星载微波接收机
星载微波接收机
功率容量20W
40W
20W
体积77mm∗57mm∗15mm
85mm∗75mm∗20mm
125mm∗110mm∗25mm
重量105g 200g 350g 效率79%85%82%开关频率400K 120K 300K 工作温度范围
-40ħ~85ħ
-40ħ~80ħ
-35ħ~70ħ
㊀㊀大部分微波接收机的功耗在15W 以内,目前开发的全集成厚膜电源可以覆盖星载微波接收机应
用㊂由表1可以看出,与上一代微波接收机PCB 电源相比,在功率容量和效率相当的情况下,体积和重
6
4空间电子技术2021年第2期
量大幅度减小,实现了开发之初的目标㊂同时与国外引进件相比,效率低于引进件,但体积和重量优势明显㊂引进件电源采用的是传统氧化铝厚膜工艺,其导电带厚,线路损耗小;此外引进件开关频率低,较低的开关频率使得开关损耗小,效率高,但较低的开关频率使得磁性元器件和电容尺寸变大,电源体积变大㊂一般情况下,接收机电源为小功率应用,对效率要求较低,对体积和重量要求较高㊂
产品可靠性方面,电源模块参照GJB2438A 2002‘混合集成电路通用规范“和GJB548B 2005‘微电子器件试验方法和程序“的试验流程和方法,开展筛选和考核试验;同时作为具有开关机功能的全集成厚膜电源模块,采用程控方式开展了万次开关机试验,试验通过㊂
6　结论
本产品是上一代微波接收机PCB电源的升级换代,电路上采用了适合厚膜集成的小型化电路拓扑,电路形式简单且磁性元器件数量少㊂通过提高开关频率,减小了磁性元器件和电容的尺寸㊂生产制造上,采用厚膜混合集成装配工艺,使得装配后的电路体积更小㊂
采用了全集成设计方案,与标准DC-DC厚膜电源相比,集成了EMI滤波器以及多个功能电路单元,无需在DC-DC模块以外配置EMI滤波器和控制电路模块,可直接与卫星平台配电系统对接,集成度更高,体积更小㊂
LTCC厚膜集成技术的应用使得基板尺寸和壳体尺寸更小,同时轻质化硅铝材料的应用,使得电源壳体的重量显著下降,最终本产品的体积和重量明显小于采用传统厚膜集成方案的国外引进件㊂目前多台产品在轨飞行,状态良好,新方案得到了在轨验证㊂参考文献:
[1]㊀胡忠谞,恽正中,杨邦朝,等.薄厚膜混合集成电路
[M].北京:国防工业出版社,1982.
[2]㊀赵飞,党元兰.LTCC电路加工中的关键技术[J].电子
工艺技术,2013,34(1):37-39.
[3]㊀寇凌霄.低温共烧陶瓷(LTCC)烧结收缩率的控制
[J].微处理机,2017,38(5):32-34.
[4]㊀王瑞庭.LTCC技术的发展和应用[C]//北京:第十四
届全国混合集成电路学术会议论文集,2005,140-147.
[5]㊀陈以钢,田飞飞,等.硅铝合金在微波模块电路封装中
的应用[J].半导体技术,2015,40(4):308-313. [6]㊀王松,史戈,成立峰,等.微波组件用硅铝合金的激光
封焊工艺研究[J].电子机械工程,2018,34(2):33-39.
[7]㊀王安,武荣,李德全.一种空间用正激拓扑电源模块驱
动电路的研究[J].空间电子技术,2017,14(3):14-19.
[8]㊀PRESSMAN A I,BILLINGS K,MOREY T,著.开关电
源设计(第三版)[M].王志强,肖文勋,虞龙,等译.北
京:电子工业出版社,2010.
[9]㊀赵修科.开关电源中的磁性元件[M].沈阳:辽宁科学
技术出版社,2014.
[10]㊀李晶,刘永峰,赵恒飞,等.一种用于卫星载荷集总供
电的大功率电源[J].空间电子技术,2019,16(4):68-
76.
[11]㊀胡智评.DC-DC开关电源中的电磁兼容分析与设计
[D].南京:南京理工大学,2014.
[12]㊀孙元鹏.基于工艺的厚膜电阻设计[C]//合肥:第十
七届全国混合集成电路学术会议论文集,12-16. [13]㊀ICARIJ J,ENLOW L R.混合微电路技术手册[M].朱
瑞廉译.北京:电子工业出版社,2004. [14]㊀李颖,林洪,陈琳,等.厚膜混合电路的激光调阻技术
[J].仪表技术与传感器,2009(Z1):202-207. [15]㊀Thales Alenia Corporation:UK-SPACE-LPLC integrated
DCDC cvts.doc[EB/OL].http://www.thalesalen-
.
74
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