Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



функциональные узлы ИВЭП. Основными функциональными узлами ИВЭП являются:

стабилизаторы напряжения ключевого и непрерывного принципов действия;

преобразователи постоянного напряжения;

выпрямители;

фильтры;

устройства защиты, контроля и коммутации.

Значения этих устройств для построения .источника вторичного электропитания практически одинаковы, так как они выполняют существенно различные функции и практически любой источник может быть реализован только путем сочетания нескольких из этих узлов.

Структурная схема источника, определяющая наличие и связь функциональных узлов между собой, зависит от ряда факторов:

типа первичного источника;

уровня выходной мощности;

числа выходных напряжений;

гальванической развязки;

уровня переменной составляющей и нестабильности папрянений;

характера нагрузки;

коэффициента полезного действия;

надежности;

объема и массы и т. п.

Преобладание того или иного из названных факторов оказывает существенное влияние как на номенклатуру, так и на количество функциональных узлов в структурной схеме, в связи с чем первые два блока алгоритма в процессе разработки реализуются почти параллельно.

В микроэлектронных системах прп большом количестве потребителей с различными и, как правило, высокими требованиями к качеству питающего напряжения возникает особая необходимость в уменьщении взаимного влияния отдельных узлов, ослабления связи через общие щины литания. Увеличение функциональной сложности и повыщение точностных характеристик электронных систем вызывают повыщение требований ко вторичному электропитанию как по стабильности и температурному коэффициенту напряжения, так и по уровню переменной составляющей. Этим требованиям наиболее полно отвечают ста,билизаторы напряжения с непрерывным законом регулирования.

Однако следует иметь в виду, что применение общего стабилизатора значительной мощности порождает немало трудностей. Во-первых, при питании от одного мощного стабилизатора приходится использовать провода большого сечения. Сказывается падение напряжения в соединителях и проводах. При импульсном потреблении тока индуктивности проводов влияют на качество напряжения.

Вопвторых, полупроводниковые приборы очень чувствительны к электрическим перегрузкам. Поэтому нельзя рассматривать какие бы то ни было устройства (в том числе и стабилизаторы) на полупроводниковых приборах и микросхемах, не предусматривая в них соответствующей защиты. Но при использовании общего стабилизатора несомненно одно: наличие схемы защиты в нем может привести к снятию питания со всех потребителей прн аварийном состоянии одного из них. Надежность подобной структуры чрезвычайно мала и

определяется не только надежностью самой схемы стабилизатора, сколько схемами потребителей и их количеством.

Разрешить возникшие трудности в построении системы стабилизации может децентрализация последней, т. е. замена общего стабилизатора соответствующим количеством маломощных стабилизаторов, приближение их к нагрузкам и создание защиты в каждо.м из них.

Сами по себе стабилизаторы непрерывного действия не могут решить задачу построения экономичных и малогабаритных вторичных источников питания из-за их низкого КПД, но на завершающем этапе преобразования энергии они нужны и, как правило, в большом количестве. Кроме того, централизованный источник может быть удален от потребителей и тогда обязательно потребуются развязывающие фильтры, роль которых могут выполнить непрерывные стабилизаторы.

Заметим, что маломощные стабилизаторы постоянного напряжения непрерывного действия обеспечивают наилучшее качество питания потребителей, если они расположены в непосредственной близости от потребителей и в наилучшем случав конструктивно объединены с ними. Поэтому миниатюризация таких стабилизаторов требует единства конструкторско-технологических приемов изготовления стабилизатора и потребителей и в их структуре не должны находиться элементы, не поддающиеся конструкторско-технологическим методам миниатюризации.

Вопросы энергетики в непрерывном стабилизаторе должны решаться, с одной стороны, схемными методами, которые позволяют снизить перепад входного и выходного напряжений и потребление самой схемой; с другой стороны, применением рациональной структуры всего источника питания, когда предварительно стабилизированное напряжение с относительно небольшими пульсациями окончательно сглаживается и стабилизируется непосредственно в местах потребления энергии. Тогда структурная схема ИВЭП будет состоять из относительно мощного централизованного импульсного стабилизированного преобразователя напряжения, обладающего высокими КПД, и ималомощных децентрализованных, максимально приближенных к потребителям стабилизаторов напряжения непрерывного действия.

Децентрализация непрерывных стабилизаторов полезна еще и потому, что позволяет решить одну из важнейших проблем микроэлектронного конструирования: улучшить тепловой режим устройств. В устройствах с высокой плотностью упаковки концентрация тепла возрастает, поскольку и сами схемы и вся система весьма компактны. Правильная разработка системы охлаждения весьма ощутимо может повысить ее надежность. Поэтому в первую очередь необходимо как можно равномернее по всей системе расположить элементы и устройства, являющиеся источниками тепла.

В такой структуре импульсный стабилизатор с преобразователем или стабилизированный преобразователь совершает преобразование напряжения при значительном различии входного и выходного напряжений, сохраняя высокий КПД. А стабилизаторы непрерывного действия работают при малом перепаде напряжений. Следовательно, и система питания в целом обеспечивает достаточно высокие КПД и качество электрической энергии для потребителей.

Таким образом, определяющей тенденцией структурного построения ИВЭП микроэлектронной аппаратуры в настоящее время является совмещение принципов централизации и децентрализации, которые состоят в том, что частич-



но источник выполняется централизованно в виде самостоятельного блока или ячейки, а частично рассредоточивается по блокам и функциональным узлам потребителей.

Наряду с общепринятым назначением ИВЭП - получение заданной мощности в нагрузке -он должен выполнять ряд дополнительных функций: осуществлять гальваническую развязку первичного источника и вторичных цепей, защищать первичную сеть и потребителей, включаться и отключаться по команде, допускать индивидуальное управление отдельными номиналами (их включением и отключением) и др. Все это требует значительного усложнения его структурной схемы.

Следует оказать несколько слов о влиянии трансформатора преобразователя на окончательный выбор структурной схемы источника. Трансформаторы на ферритовых сердечниках позволяют работать иа частотах вплоть до 1 МГц. Однако с повышением рабочих частот до 100 кГц и выше уменьшение габаритов трансформаторов может быть ограничено значением напряжения на один виток обмотки. Это приводит к невозможности изготовления трансформатора в минимально возможных габаритах с обеспечением заданной точности выходных напряжений. Особенно это проявляется в структурной схеме ключевой стабилизатор-преобразователь напряжения при наличии нескольких выходных напряжения, используемых потребителем без дополнительной стабилизации.

7.2. Основные особенности разработки микроэлектронных ИВЭП

Разработка электрической схемы, ее разбиение на микросборки и выбор технологических процессов уже на начальном этапе проектирования должны решаться совместно методом последовательных приближений.

Простейшей конструкцией при микроэлектроином конструировании принято считать микросборку. Микросборка представляет собой плату из изоляционного материала, на которой методами микроэлектронной технологии нанесен рисунок пассивной части схемы в виде проводящих металлизированных участков и резисторов с контактами для присоединения бескорпусных полупроводниковых приборов. Микросборка может представлять как функционально законченную схему какого-либо узла источника (например, стабилизатора), так и простой набор элементов этой схемы: резисторы, диоды, транзисторы в любой их комбинации.

На данном этапе разработки необходимо учитывать достижения и возможности, а также ограничения микроэлектронной технологии и соответствующей ей элементной базы.

В настоящее время существуют два основных вида микроэлектроиных технологий: полупроводниковая и гибридная. Выбор тех- нологии диктуется многими факторами. Монолитные схемы выбирают из-за их низкой стоимости при крупносерийном производстве, при меньших размерах и повышенной надежности, которая достигается благодаря меньшему числу внешних соединений.

В тех случаях, когда требуется небольшое число специализированных микросхем, что является специфичным для бортовой ап-250

паратуры, или когда необходимо получить более высокие быстродействие, помехоустойчивость и стойкость к воздействию радиации, чего нельзя реализовать в обычных монолитных схемах, используют гибридные микросхемы. Затраты на подготовку и перестройку производства с одного вида гибридной микросхемы на другой минимальны.

Различают два вида гибридных микросхем: тонкопленочные и на толстых пленках. На выбор активных приборов обе технологии налагают незначительные ограничения. Основное и притом неустранимое различие электрических свойств толстых и тонких пленок состоит в том, что стабильность резисторов, формируемых с их помощью, неодинакова. Температурный коэффициент сопротивления тонкоплеиочного резистора существенно ниже, чем толстоплеиочно-го. Сопротивление толстопленочиого резистора, изменяется по мере его старения. Схемы на толстых пленках изготавливаются методом трафаретной печати иа керамической подложке с помощью специальной пасты. Тонкие пленки осаждают либо из паровой фазы в вакууме, либо формируют путем травления. Толщина толстых пленок десятки - сотни микрометров, тонких - единицы - десятки, микрометров. В табл. 7.1 приведены основные характеристики резисторов, получаемых с помощью различных технологических процессов.

Таблица 7.1

Вид резистора

Параметры

диффузионный]

толстопленочный

тонкопленочный

Поверхностное сопротивление, Ом/П Абсолютный разброс, %

Относительный разброс, %

ткс, °С-

2-5 (п-р-п) 50-200 {р-п-р)

±20

±1,5 ±2-10-3

Единицы ом - десятки килоом

±15

±5

±4-10-4

10-50 ООО

±5-10 ±1

±2-10-5

Развитие силовых полупроводниковых микросхем сдерживается различными техническими ограничениями. Диапазон допустимых напряжений, мощность рассеивания полупроводниковых микросхем, как известно, узки. В ряде случаев резисторы, изготовляемые в материале полупроводникового кристалла, не имеют достаточных точности, стабильности.

Достоинства гибридных микросхем, заключающиеся в сравнительной простоте технологии, легкости обеспечения функционального разнообразия, способности рассеивать значительные мощности, обладающие лучшими условиями отвода теплоты по сравнению с интегральными за счет развитой поверхиости, позволили

10* 251



им занять главное место в источниках вторичного электропитания.

Особый интерес при микроминиатюризации ИВЭП представляют открытые (бескорпусиые) гибридные микросборки [И]. Так как в гибридных микросборках могут быть использованы любые бескорпусные элементы, можно разработать гибридные сборки, работающие в широком интервале частот, напряжений и токов, сохранив при этом низкую стоимость даже при небольших партиях изготовления.

Защиту бескорпусных микросборок от внешних воздействий можно выполнять в составе ячеек, блоков и даже устройств.

Процесс разработки микроэлектронных конструкций ИВЭП неразрывно связан с созданием силовых бескорпусных гибридных микросборок.

Основной задачей при разработке силовых гибридных микросборок является получение максимальной энергетической плотности конструкции, т. е. максимума выходной мощности в единице объема при допустимой тепловой напряженности. Если проектировщик располагает определенным набором ранее разработанных микросборок, процесс разработки электрической схемы несколько видоизменяется и проходит с учетом возможности использования существующих готовых микросборок и проектированием новых.

Линия «разбивки» электрической схемы на микросборки определяется наименьшим числом внешних соединений, совместимостью технологических приемов (пайка, приклейка), минимальным числом резистивных слоев (слой с одним значением удельного сопротивления резистивного материала), необходимостью защитных покрытий (силовые и маломощные схемы) и т. д.

Функционально-узловой принцип конструирования предполагает проектирование микросборок в виде функционально законченных схем. При этом особое внимание уделяется вопросам унификации электрических схем, возможности их применения в различных функциональных узлах.

Изготовление микросборок заключается в том, что резисторы, контактные площадки, межэлемеитные соединения и защитные покрытия изготовляются последовательным напылением на подложку слоев различных материалов в вакуумных устройствах или нанесением их другими способами, например химическим, используя специальные фотошаблоны и маски. В связи с этим различают фотолитографический и масочный способы напыления. В первом случае материал слоя напыляется на всю поверхность подложки с последующим травлением мест, не защищенных фоторезистом. Рисунок фоторезиста образуется с помощью фотопечати через специальные фотошаблоны. Для их изготовления делаются фотооригиналы - специальные топологические чертежи конфигурации слоя, выполненные в увеличенном масштабе с высокой точностью и предназначенные для фотографирования. Исходными данными для машинного или ручного изготовления таких чертежей являются таблицы координат вершин фигур элементов каж-252

дого слоя. Во втором случае напыление производится через маску, рисунок которой вьшолняется в соответствии с конфигурацией рисунка соответствующего слоя. Каждый слой имеет свою маску или фотошаблон.

Активные приборы (транзисторы, стабилитроны, диоды) и дискретные элементы (конденсаторы) устанавливаются на подложку с помощью клея или пайки, и выводы их с помощью сварки или пайки присоединяются к соответствующим контактным площадкам.

Для улучшения адгезии токопроводящих материалов с подложкой перед их напылением на подложку наносят подслой нихрома Х20Н80.

В качестве материала подложек гибридных ИМС используются: ситалл Ст50-1, вакуумплотный керамический материал поли-кор, бериллиевая керамика, оксидированный алюминий и др., обеспечивающие качественное изготовление пленочных микросхем.

Полупроводниковые приборы силовых микросборок устанавливаются на подложку микросборки, предварительно нагретую до температуры 190±10°С, и припаиваются припоем марки ПСР-ЗИ (таблетки толщиной 50-70 мкм и диаметром 8-10 мм).

В качестве материала подложки силовой микросборки выбран поликор толщиной 0,5 мм. Удельная теплопроводность поликора составляет 25-38 Вт/м-°С. Проводники на подложке изготавливаются методом вакуумно-термического нанесения пленки до 10 мкм или методом электрохимического наращивания меди до 40-50 мкм на рисунок, полученный методом фотолитографии на металлизированной поверхности поликора. Для получения однородной структуры проводящего слоя, обладающего высокой проводимостью, при электрохимических процессах используется импульсный ток. Удельное сопротивление проводников составляет 0,0014 и 0,0027 Ом/О для 15 и 10 мкм соответственно.

Металлизация поликоровой подложки производится в вакууме методом термического испарения последовательно слоев хрома, меди, хрома. Последний слой хрома является технологическим и стравливается перед наращиванием основного проводящего слоя меди. После этого производятся электрохимическая полировка на-

га За. ka

5а 6а.

о с

р с

) с

? 9

-<]

ь <

> i

1 о

Z J

5 6


Рис. 7.2. Силовая микросборка: а - электрическая схема; б - внешний вид



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [41] 42 43 44 45 46


0.0348