1概述

电源模块参照VICOR四分之一砖结构电源自主开发的新产品。本产品采用有源钳位技术，将28V电压隔离转化为输出+5V/20A，对系统相关部位起到隔离供电的作用，满足市场需求。产品的主要技术参数如下：

1.输入电压：18V～36V；

2.输出电压：+5V±0.1V；

3.输出电流：20A；

4.输出功率：100WW；

5.电压调节度、电流调节度：≤50mV；

6.效率：≥89％；

7.温度系数：-0.02%/℃～0.02%/℃；

8.短路功耗：≤50W；

9.待机功耗：≤4.8W；

2设计原理

本产品仅需54.9.9mm×25mm×在10mm的有效空间内开发，输出功率达到100W，功率密度高达60W/in3。为了保证产品的可靠性，满足各种动态指标参数的设计条件，产品的设计思路遵循可靠实用的原则，在满足性能指标的前提下，重点保证军用产品的高可靠性。因此，设计思路采用有源钳位PWM技术，实现开关零电压的开关，减少开关损耗；引入同步整流技术，用MOSFET代替整流二极管，大大降低了其导通损耗，是低压大电流的最佳选择。为了简化设计线路，在选择元器件时，对于特别重要的关键元器件，在仔细考虑其故障模式的前提下，增强了元器件性能的冗余设计，并基于国内设备。

电路采用PCB板结合铝基板进行设计和组装，在铝基板上设计产品输入、输出功率电路和加热元件，采用铝基板散热。为了及时释放产品的热量，采用了密封工艺。

电源模块为输入电压18～36V直流电压转化为稳定的5V/20A直流输出能力。产品具有输入欠压、过压、输出过流和短路保护功能，故障排除后可自动恢复。本产品采用有源钳位同步整流正激DC/DC拓扑结构，由输入滤波电路、双压整流电路、功率变换电路、同步整流滤波电路、PWM控制电路、取样反馈稳压电路、辅助电源电路和保护电路组成。

3关键技术攻关情况

3.1方案的设计与实现问题

电源模块是仿Vicor二代四分之一砖结构电源的产品。该产品功率大、体积小、高度低，是方案设计和实现的关键点。同时，主开关管、辅助开关管、驱动电路的设计和选择也是产品变压器设计的关键。

经过多位主任设计师的反复分析、比较和评价，我们采用SG5025实现了单端正激变换同步整流拓扑结构的成熟产品和线路积累，采用有源钳位单端正激变换同步整流拓扑。在我们成熟经验的基础上，我们进行了详细的参数设计，借助仿真软件进行辅助分析，解决了方案设计和实现的问题。

3.2高密度、高集成问题

我们产品的有效空间只有54.9mm×25mm×10mm，集成电路图中的所有部件也是一个非常困难的问题。为此，我们考虑上板采用四层PCB板设计，下板采用铝基板通过引脚连接组装，确保产品散热良好。同时，内部部件采用小尺寸包装形式，精确测量上下板组装位置偏差，两次尺寸偏差校正，确定PCB板和铝基板加工尺寸和各部件位置，样品组装过程，与操作人员、工艺师讨论研究各组装细节，消除所有可能的隐患，制定完善的组装工艺要求，制作产品特殊组装焊接模具，产品指标达到要求，最终解决产品高密度、高集成的问题。

3.3国产元器件匹配问题

本产品开发的目标是选择国内部件，在中国进行设计、生产和制造，实现产品的独立控制，消除国际市场波动对国内机械行业的影响。因此，选择合适的本地化设备和相关电路参数进行校正和验证已成为产品设计的主要工作。

产品采用国产脉宽调制器SG5025，主功率输出器OUT_A和有源钳位输出器OUT_B输出，分别驱动N通道MOS管和P通道MOS管，相应部件更换为国产设备，发现P管更换后产品无负荷，国产SGFC6215更换为IRF6215，产品输出正常；通过比较两个部件的参数，发现QG参数的差异约为三倍，差异相对较大，实现产品功能，即确认产品地图的正确性、验证电气性能参数和地图数据校正，QG格栅电荷表示格栅电压从0V到10V所需的格栅电荷，即MOS开关完全打开，G极所需的电荷；由于MOS管的制造工艺越来越先进，需要很小的电荷才能完全打开，导致P通道MOS更换后频繁打开，导致产品负荷异常；我们通过实验证明了这个问题，在SG5025OUT_B输出端和P通道MOS管G极输入端增加了10Ω电阻，延迟P沟MOS管开启速度，带载后产品输出正常。结合试验结果和产品实际情况，调试产品死区时间，将死区时间从原来的150ns减少到80ns，即将死区电阻R5从47K改为24K。

4.关键生产工艺攻关情况

在批量生产过程中，电源模块存在引针歪斜、上下板对位不准确等问题。产品一次合格率相对较低。为了提高产品的合格率，主要解决了引针上下板的对位问题、外壳粘接和灌封工艺。

4.1引针上下板对位问题

输入和输出四根引脚插头通过PCB板焊接在铝基板上。在焊接过程中，需要保证插头的垂直度和PCB的水平衡。为此，我们制作了该产品的专用插头焊接模具，可将四根插头放入模具中同时焊接，操作简单方便，保证了插头焊接位置的准确性，提高了产品的焊接合格率。

4.2外壳粘接问题

产品外壳分为三部分，中间部分为表面电泳涂黑厚度0.47mm的黄铜外壳，两侧为绝缘材料的黑色外壳。三部分外壳需要依次用硅胶粘合在产品铝基板周围预留的夹槽内。铝基板周围的夹槽需要先涂硅胶，先粘两侧外壳，再粘中间外壳。由于夹槽的宽度和深度有限，涂胶量有限。但在操作过程中，不仅要保证产品外壳粘接的牢固性，还要避免胶水溢出过多导致外观不合格，这对操作人员要求很高。经过多次工艺试验对比，我们最终确定采用AT-1型点胶机对铝基板夹槽进行点胶，可有效控制胶量，保证产品外壳粘接的可靠性和外观合格性。

4.3灌封问题

产品外壳粘接干燥后，需要用灌封材料灌封产品。但产品外壳粘接完成后，产品内部基本成为封闭空间，灌封材料只能从外壳中部填充Φ注入4毫米的圆孔。显然，倾倒式灌装方法不适用于产品。经过工艺研究和多次试验，我们最终采用针管灌装的方式对产品进行灌装。先将灌装材料吸入针管，然后将针管口对准灌装孔，注入产品内部，达到产品内部空间80％～90％停止注料，平整产品，使产品在室温下静置数小时。灌封材料内部平整后，观察每种产品的材料数量是否合适。如果材料稍有欠缺，则需要补充材料，材料不宜过多或过少。如果材料太少，就不能侵入每个组件。如果材料太多，壳体将在筛选过程中支撑。因此，产品内部灌封材料的数量应合适，不得超过产品内部空间的80%％～90％为宜。

5结语

虽然产品已经完成，但也存在一些不足。效率还有提升空间。变压器、电感、PCB一体化设计，如何更好地优化PCB布局，减少纹波，更好地配置电路参数，优化模块效率，将产品技术提升到一个新的水平，缩小我们与同行的差距，必将增加我们产品的技术竞争力，为公司取得良好的效益，具有广阔的应用前景。