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厚膜工艺下电流采集电路设计

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摘要:目前国内星载供配电系统中,通常采用印制线路板技术实现对供配电母线电流的采集与输出,该技术虽然应用广泛,但在当今小型化趋势的推动下,显然已经不能满足星载供配电系统对小型化、轻量化的需求。针对上述问题,设计了一种基于厚膜混合电路工艺的电流采集电路。该工艺技术与印制线路板技术相比,电路版图面积不足后者的十分之一,且采集精度可以通过厚膜激光调阻技术大幅度提高。目前,该厚膜电路已成功应用于多个型号的星载固态功率控制器的设计中。

关键词:厚膜混合电路工艺;电流采集电路;固态功率控制器

1引言

近年来,航天器电子产品不断向小型化、轻量化、多功能化方向发展[1],厚膜微组装技术成为解决这一关键技术的有效途径。由于低成本、高可靠性等特点,厚膜混合电路的应用也越来越广泛[2]。该技术主要通过厚膜丝网印刷和贴装键合工艺将多种元器件封装到同一外壳内,与印制线路板技术相比,采用该项技术不仅能够大幅缩小产品体积,而且能够显著降低功耗,并提高电路性能。针对国内航天器星载供配电系统正在开展的固态功率控制技术研究,本文提出了一种基于厚膜工艺的电流采集电路。利用该电路能够实现对功率母线电流的实时监测与采集,为后级系统的安全运行提供有效的保障。与印制线路板技术相比,本文采用的厚膜混合集成电路工艺,版图面积不足印制线路版图面积的十分之一,电流采集精度也显著提高,在固态功率控制器小型化设计方面具有广阔的应用前景。

2厚膜工艺技术简介

厚膜工艺技术是指将导电图形、绝缘介质以及电阻电容等通过丝网印刷、干燥、烧成到陶瓷基板上的一种工艺技术[3]。厚膜混合电路是指利用厚膜工艺技术,将表贴元器件或裸芯片组装到厚膜陶瓷基板上的混合电路[4]。厚膜混合电路基本工艺流程图如图1所示。

3电路设计与分析

电流采集电路的主要功能是将功率母线的电流取样放大后以电压的形式反映到输出端,实现对母线电流的实时监测与采集,电路设计原理如图2所示。图2中RS为采样电阻,V1、V2为高增益的对称三极管,C1为滤波电容,R1、R2为匹配电阻,R3、R4为限流电阻,R5、R6为放大电阻,其中R1=R2,R3=R4,电阻R5上端为电流采集输出端,假设RS两端采样电压为VS,R5上端采集输出电压为VOUT,V1的发射极电压为V1E,RS左端电压为VS1,RS右端电压为VS2,则V1的基极电压为V1E-0.7,V2的发射极电压为V1E-0.7+0.7=V1E,由于V1、V2的增益很大,一般在150~450V之间,所以基极电流可以忽略,认为IE=IC。又因为R3=R4,且V1的发射极电压等于V2的发射极电压,所以V1的集电极电流ICV1等于V2的集电极电流ICV2,V1的发射极电流IEV1等于V2的发射极电流IEV2。根据V1发射极节点的基尔霍夫电流定律:一般情况下,通过合理设置R5、R6与R1的比值即可将采样电阻两端的电压通过输出端VOUT反映出来。显然,以上的推导过程是完全理想的,实际应用过程中,由于器件之间的差异,势必将引起电路采集精度的变化。非理想状态下,假设R1>R2,则:由于电路采用厚膜混合电路工艺实现,电阻采用丝网印刷烧制,利用激光调阻技术可以对厚膜电阻精度进行精密调整[5],因此当电路因器件性能差异引起采集精度下降时,正好可以通过厚膜激光调阻技术对电阻R1或R2进行初始零位修正。同理,也可通过激光调阻技术对R5、R6进行放大斜率修正。当电流采集电路输出端VOUT的初始零位较低时,则利用激光调阻机对厚膜电阻R2进行微调,直至初始零位电压微调至满足要求为止;当电流采集电路输出端VOUT的初始零位较高时,则对厚膜电阻R1进行微调,直至初始零位电压微调至满足要求为止。R5、R6作为放大电阻,两者之和通常为千欧级,为提高电路的采集精度,通常将一只电阻设计成千欧级,利用激光调阻技术对放大斜率进行粗调,而将另一只电阻设计成欧姆级,利用激光调阻技术对放大斜率进行微调,以便得到最高的放大精度。

4电路版图设计

4.1元器件分类

根据图2所示电流采集电路原理,分类整理电路元器件信息如表1所示。RS作为电流采样端的高精密电阻器,通常具有阻值低、精度高、温度一致性好、负载耐受功率大、体积小和安装可靠性高等特点,适用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多种安装方式,广泛应用于航空航天等大功率电流采样电路中。分析得出,RS电阻的阻值精度将直接影响电路的采集精度,根据实际应用情况,RS电阻的取值范围通常在1~100mΩ之间,阻值精度一般不超过5%,在采集精度要求较高的情况下阻值精度应不超过1%。C1作为滤波电容,通常选用一类瓷介电容器,该类电容器具有容值稳定性高、介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化等特点,同样适用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多种焊接方式[5]。实际应用过程中,C1电容的取值一般在pF量级。电阻R1~R6采用厚膜印刷工艺制作,具有精度高、体积小、可靠性高和温漂小等特点。实际应用过程中, R1、R2的取值范围通常在10~500Ω之间,R3、R4的取值通常不小于100kΩ,R5、R6的取值根据实际电路的放大倍数通常在1~100kΩ之间。V1~V3为高增益PNP型三极管,采用裸芯片粘接方式固定,具有体积小、功耗低、信号稳定性高等特点。实际应用过程中,为提高电路的采集精度,三极管V1、V2的电性能参数应高度一致,尤其是放大倍数的一致性,通常情况下两者的放大倍数应满足公式(9)中的关系:

4.2平面化设计

4.2.1片式阻容器件平面化设计采样电阻RS和滤波电容C1采用表面焊接的方式安装,在基板上设计时应当尽可能选取同一方向,以便于组装。片式阻容两端的焊接区应基本对称,以免相差太大导致焊接时元件漂移,影响可靠性。各种尺寸的片式电阻器、片式电容器的焊接区形状和尺寸通常按图3和表2所示进行设计。4.2.2三极管芯片平面化设计三极管V1~V3采用裸芯片表面粘接的方式安装,通常情况下半导体芯片的粘焊接区每边应比芯片大0.15mm以上,推荐大于0.25mm,如图4所示,A×B为粘焊接区尺寸,L×W为芯片尺寸。4.2.3厚膜电阻平面化设计电阻R1~R6采用厚膜丝网印刷工艺制作,设计时电阻方向应与基板边缘平行,并尽可能使所有电阻的长度方向平行于基板的长度方向。电阻两端搭接导带与电阻膜一般应重叠Y=0.15mm以上,且端头两侧应超出电阻膜宽X=0.10mm以上,如图5所示。根据电路设计,假设R1=R2=100Ω,R3=R4=100kΩ,R5=1.9kΩ,R6=100Ω,选用3种方阻浆料即可满足设计,分别为100Ω/□,1kΩ/□和100kΩ/□,电阻设计时按额定值的60%~80%设计,设计核查表如表3所示。

4.3整体设计

按厚膜混合集成电路平面设计规范的要求,电流采集电路的整体版图设计如图6所示。采用印制电路板技术,电流采集电路的整体版图设计如图7所示。采用厚膜混合集成电路工艺布局,电路的版图面积为6.4mm×4.8mm=30.72mm2,采用印制线路板工艺布局,电路的版图面积为21.5mm×16.5mm=354.75mm2。显然,采用厚膜工艺布局布线,电路的版图面积不足印制线路板面积的十分之一。

5测试结果

对上述两种工艺技术制作的电流采集电路进行测试(取RS=10mΩ),结果表明,采用印制线路板技术制作的电流采集电路,采集精度可以达到95%以上;而采用厚膜混合集成电路工艺,利用厚膜激光调阻技术,采集精度可以达到98%以上,两者测试数据比较如表4所示,采集精度由公式(10)得出。

6结论

本文设计了一种基于厚膜工艺的电流采集电路。与印制线路板工艺相比,电路版图面积不足后者的十分之一,电流采集精度也有大幅度提高。目前,该厚膜电路已成功应用于多个型号的星载固态功率控制器的设计中。

参考文献:

[1]蒲亚芳.一种基于厚膜工艺的电路版图设计[J].现代电子技术,2014,37(4):118-120.

[2]王姜伙,王志勤.基于厚膜混合集成电路的激光调阻工艺研究[J].电子与封装,2012,12(11):34-36.

[3]郑福元,周立飞,虎轩东.厚薄膜混合集成电路:设计、制造和应用[M].北京:科学出版社,1984.

[4]吕乃康,樊百昌.厚膜混合集成电路[M].西安:西安交通大学出版社,1990.

[5]夏俊生.厚膜电阻的大范围连续可调设计[J].电子与封装,2009,9(2):27-31.

作者:倪春晓 赵国清 单位:山东航天电子技术研究所

厚膜工艺下电流采集电路设计责任编辑:张雨    阅读:人次