基于HTCC的两相交错同步BUCK电路设计.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术基于HTCC的两相交错同步BUCK电路设计王贵刚 李雪 白玉新 闫宏宇（航天深拓（北京）科技有限公司 北京 100176）摘要：为了解决旋转导向工具遇到的“卡脖子”问题，本文提出一种两相交错同步BUCK电路拓扑结构，能够产生更少的热量，在不需外加其他散热方式的情况下就能够适应200的工作环境；集成电路采用裸露管芯，元器件占用的体积更小，相邻元器件之间的距离更小；HTCC基板材料耐高温、易导热，互联线更细；产品的功率密度更高。电源模块封装于金属壳内，减少了人为因素的影响，可靠性提高，保证其在严酷的环境下长期稳定工作。关键词：两相交错同步BUCK 200 裸露管芯 HTCC基板中图分类号：TN45文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0133-05Design of Two-phase Interleaved Synchronous Buck Circuit Based on HTCCWANG Guigang LI Xue BAI Yuxin YAN Hongyu(Aerospace Shentuo(Beijing)Technology Co.,Ltd.,Beijing,100176 China)Abstract:In order to solve the neck problem encountered by the rotating guide tool,this paper proposes a two-phase interleaved synchronous BUCk circuit topology,which can produce less heat and adapt to the working environment of 200 without adding other heat dissipation methods.The integrated circuit adopts bare die,the volume occupied by components is smaller,and the distance between adjacent components is smaller;HTCC substrate material is resistant to high temperature,easy to conduct heat,and the interconnection line is thinner.The power density of the product is higher.The power module is encapsulated in a metal shell,which reduces the influence of human factors,improves the reliability and ensures its long-term stable operation in a harsh environment.Key Words:Two phase interleaved synchronous BUCK;200;Bare tube core;HTCC substrate随 着 国 内 页 岩 气 的 开 发，井 底 温 度 超 过 了1501，目前市场上的绝大多数旋转导向工具均已不能胜任此种工况下的作业任务。175高温旋转导向钻井工具能很好地胜任这一作业任务，可以解决目前99%以上开发井的作业难题。高温旋转导向钻井系统代表一个国家的高端科研和制造水平，一旦攻克，不仅可以推进深层页岩气的开发利用工作，也将为中国深层油气和地热能的开发利用、非常规油气和海外油气勘探开发提供核心技术，同时还将支撑深部矿产和地下空间开发，破解深层油气勘探开发难题，保障国家能源安全。1 常规电路设计存在的问题旋转导向系统目前采用的电路设计方案不能满足175的工作环境，主要存在如下问题。（1）电路板和焊接在其上的元器件热胀冷缩都不一样，电路板、部分元器件、焊点及其他焊接辅助材料在高温175时存在形变的可能，导致电路连接的可靠性随之下降。DOI：10.16660/ki.1674-098X.2208-5640-5444作者简介：王贵刚（1981），男，硕士，高级工程师，主要从事旋转导向系统电源设计和逆变器设计等相关工作。133科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术（2）核心电路比较复杂，所需要的分立元器件的数量比较多，而且一些元器件封装还比较大，造成该部分电路的体积和重量都比较大，占据的空间也比较大。在钻井工作时，强烈的振动也会造成这些电路的可靠性下降。（3）大功率电路如开关电源、电机驱动电路功率MOS器件的散热问题。电路模块的效率不高，导致产生的热量过多，热量没有及时地导出去，也直接降低了产品的可靠性。2 解决方案微组装技术是综合运用高密度多层基板技术、多芯片组装技术、三维立体组装技术和系统级组装技术，将集成电路裸芯片、薄/厚膜混合电路、微小型表面贴装元器件等进行高密度互连，构成三维立体结构的高密度、多功能模块化电子产品的一种先进电气互联技术2-3。微组装技术应用于高温175旋导电路有三大优点：（1）提高集成化程度，缩小电路尺寸，增强电子电路抗振动冲击能力；（2）通过高可靠键合技术，提高电子装联可靠性4；（3）工艺性好、测试性好，便于旋导工具维护和保养。混合集成电路常用的成膜技术包括薄膜和厚膜两种，其中厚膜混合集成电路以其高可靠性成为航空航天和石油装备领域首选；多层陶瓷基板技术又因其不同的烧结温度分为高温共烧陶瓷（HTCC）和低温共烧陶瓷（LTCC）5。HTCC、LTCC与传统FR-4电路板参数相比，主要性能参数如表1所示。LTCC采用电导率高而熔点低的Au、Ag、Cu等金属作为导体材料，特点是介电常数小、高频损耗低，适用于高频电路；HTCC采用钨、钼、锰等难熔金属，电导率低、会造成信号延迟等，但HTCC基板具有结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点，因此在大功率微组装电路中具有广泛的应用前景6。在高温旋转导向钻井系统中电源模块产生的功率较大，电子元器件尤其是开关管受热极易损坏，在本项目BUCK电路开关管采用四管交错工作，微组装工艺选用厚膜HTCC技术，开关管和集成电路采用裸芯片设计，极大地提高了产品的工作温度。3 电路设计BUCK主电路如图1所示 7。采样电阻R1和R2检测输出电压Vout，并将其输入误差放大器与参考电压Vref相比较。被放大的误差电压被输入到脉冲宽度调制器PWM，PWM比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波。PWM电压比较器产生矩形波脉冲，它从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束。因此，输出脉冲宽度Ton与误差放大器输出电压成正比。将图 1 续流肖特基二极管用开关管 MOSFET 代替，开关管的导通压降远低于续流二极管，可极大地提高电源的效率。同时，每个开关管用两个MOSFET并D20C17C28C27L1VINGNDR1R2T4VoutEAVrefPWMVt电流放大 图1传统BUCK 电路控制原理表1HTCC、LTCC 与传统FR-4电路板参数相比材料FR-4LTCCHTCC介电常数4.7（10GHz）5.8（12GHz）5.8（40GHz）5.8（60GHz）9.2（12GHz）9.2（40GHz）介电损耗10-4120（10GHz）16（12GHz）24（40GHz）27（60GHz）10（12GHz）15（40GHz）导热系数/(W/mK)0.45318抗弯强度/MPa580250550导体材料CuCu或AuW、Mo134科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 智 能 智 造 与 信 息 技 术联，MOSFET导通负电阻效应，可自动均流。为提高电源模块的功率，主电路采用两相交错互补BUCK拓扑结构，如图2所示。开 关 管 Q400 和 Q402、Q401 和 Q403、Q404 和Q406、Q405和Q407并联，相当于2个BUCK电路并联工作，两个BUCK驱动脉冲相差180。控制逻辑如图3所示。开关管组成的4个桥臂开关管决不允许出现直通的情况。开关管的驱动芯片采用IRS2113C8-9，典型电路设 计 可 参 加 其 datasheet。电 源 模 块 控 制 是 由SM320F28335KGDS1来实现的。电源模块的控制电路和驱动电路分开如图4和图5所示，然后再将控制电路和主电路封装于金属壳中，既可利用外壳散热，也起到保密的作用。GDSQ400GDSQ401Q402Q403Q404Q405Q406Q407R400C400C4000A_High_GateA_VSA_Low_GateA_COMA_SHUNT_PA_SHUNT_NR401C401C4001R402C402C4002R403C403C4003B_High_GateB_VSB_Low_GateB_COMB_SHUNT_PB_SHUNT_NC_High_GateC_VSC_Low_GateC_COMC_SHUNT_PC_SHUNT_ND_High_GateD_VSD_Low_GateD_COMD_SHUNT_PD_SHUNT_Nv_Av_Bv_CC1DC_LinkGNDL4L3L2L1C2C3Vout 图2BUCK 主电路图图3开关管Q400-Q407的开关时序图4控制电路版图图5主电路版图135科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术4 应用实例基于HTCC基板设计未封装的电源模块如图6所示。开关管Q400、Q401、Q404和Q405驱动波形如图7所示，与图3所示控制时序相同，实现了设计目标。通过试验对比测试，两种方案测试的指标如表2所示。与原来的PCB电路板设计方案相比，工作温度可达到200，体积减少为原来的一半，功率密度提高了1倍。本电源模块作为我公司研制的第四代175旋转导向钻井工具的电源变换设备，在西南某现场多口井上进行了成功应用，安全运行时间2000h以上，检测井下温度达到了将近175，实现了预期的目标。5 结论本电源模块采用先进电路拓扑结构和控制策略、高温厚膜电路烧结工艺、产品封装工艺等先进设计思路，能够使产品产生更少的热量，在不需外加其他散热表2电源模块技术指标序号123456指标名称输入电压输出电压输出功率基板尺寸工作温度功率密度厚膜集成电路DC33V0.5VDC25V0.12V100W85mm27mm20043.5mW/mm2PCB电路板DC33V0.5VDC25V0.12V100W150mm32mm15020.8mW/mm2备注体积减少49%提高50提高1倍图7开关管Q400、Q401、Q404和Q405驱动波形图6电源模块实物图136科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 智 能 智 造 与 信 息 技 术方式的情况下就能够适应200的工作环境。集成电路采用裸露管芯，元器件占用的体积更小，相邻元器件之间的距离更短；基板材料耐高温、易导热，互联线更细；产品的功率密度更高。电源模块封装于金属壳内，减少了人为因素的影响，可靠性提高，保证其在严酷的环境下能长期、稳定地工作。参考文献1 蒋世全,李汉兴,李峰飞,等.旋转导向钻井系统研究与实践M.北京:石油工业出版社,2015.2 张意.知识驱动的微组装三维工艺设计研究D.南京:东南大学,2021.3 李张倩,张锐浩,马银鸿,等.三维微组装多气体传感器测试仪J.电子测量技术,2021,44(22):148-151.4 田世伟,武震,王洪宇,等.HTCC/LTCC激光加工设备吸尘机构优化设计J.材料制造工艺与设备,2020(282):26-30.5 李建辉,丁小聪.LTCC封装技术研究现状与发展趋势J.电子与封装,2022,22(3):44-57.6 王志强,肖文勋,虞龙.开关电源设计M.3版.北京:电子工业出版社,2010.7 BILLINGS K.Switch Mode Power Supply HandbookM.New York:McGraw-Hill,1989.8 贾蔓谷,熊继军,李晨.耐高温HTCC无源振动传感器设计与仿真研究J.传感器与微系统,2021,40(9):26-29,33.9 袁洵严.基于混合控制的宽电压输出三电平DC-DC变换器D.秦皇岛:燕山大学,2018.劳情况的了解与干涉也是必要的。交通事故一旦发生，对于司机以及司机的家庭都是毁灭性打击，减小伤害的最好方法就是预防伤害的发生，要预防伤害的发生，就需要“人”和“车”的共同配合，一方面需要司机树立安全意识，安全行车，杜绝一些开车的不良习惯，加强对车的各个部件的安全检查，维护好汽车上的各个部件和系统的正常运行，另一方面车上的疲劳预警系统对司机进行司机疲劳状态的安全检测，并进行矫正，以此保障司机的安全，因此做到对司机疲劳状态的掌握和干涉是至关重要的。只有这样人与车相互保证对方的“正常”才能避免车祸的发生，真正地享受汽车所带来的便利性，拥有幸福生活。本篇的主要研究从中国国内的疲劳驾车检测技术和预警系统的发展进步分析，并浅谈了一些疲劳驾车预警系统的研究思路，能够比较合理地对驾驶者在行车中产生的疲劳驾车的情况做出预测的研判，并做出了适当的超前性预警安排，从而避免掉了严重安全事故的产生，从而有效地保护了驾驶者的自身健康，但鉴于中国国内的疲劳驾车技术的不断更新发展，本论文研究的体系还面临着许多制约因素，也有很多的欠缺地方和缺点，所以有待更进一步的研究来丰富相关的体系。参考文献1 范沁红,江星辰,杨刚俊,等.驾驶操作疲劳风险评价测试方法及趋势研究J.太原理工大学学报,2021,52(4):645-653.2 许传声.基于脉搏波的精神疲劳检测系统设计D.重庆:重庆理工大学,2021.3 庞宇,蒋伟,张博臻.基于PPG的脉搏波信号采集及其噪声处理J.传感器与微系统,2020,39(12):112-114,118.4 张国.可穿戴式学生体质健康监测手环研究与设计D.长春:长春工业大学,2020.5 张国强.论疲劳驾驶与预防对策J.科技风,2018(33):249.6 方佳茜.疲劳驾驶预警专利技术综述J.科技展望,2017(22):303.7 熊睿，邓院昌.疲劳驾驶交通事故的严重程度影响因素分析J.中国安全生产科学技术,2022,18(4):20-26.（上接第132页）137