厚膜工藝下電流采集電路設計范文

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摘要：目前國內星載供配電系統中，通常采用印制線路板技術實現對供配電母線電流的采集與輸出，該技術雖然應用廣泛，但在當今小型化趨勢的推動下，顯然已經不能滿足星載供配電系統對小型化、輕量化的需求。針對上述問題，設計了一種基于厚膜混合電路工藝的電流采集電路。該工藝技術與印制線路板技術相比，電路版圖面積不足后者的十分之一，且采集精度可以通過厚膜激光調阻技術大幅度提高。目前，該厚膜電路已成功應用于多個型號的星載固態功率控制器的設計中。

關鍵詞：厚膜混合電路工藝；電流采集電路；固態功率控制器

1引言

近年來，航天器電子產品不斷向小型化、輕量化、多功能化方向發展[1]，厚膜微組裝技術成為解決這一關鍵技術的有效途徑。由于低成本、高可靠性等特點，厚膜混合電路的應用也越來越廣泛[2]。該技術主要通過厚膜絲網印刷和貼裝鍵合工藝將多種元器件封裝到同一外殼內，與印制線路板技術相比，采用該項技術不僅能夠大幅縮小產品體積，而且能夠顯著降低功耗，并提高電路性能。針對國內航天器星載供配電系統正在開展的固態功率控制技術研究，本文提出了一種基于厚膜工藝的電流采集電路。利用該電路能夠實現對功率母線電流的實時監測與采集，為后級系統的安全運行提供有效的保障。與印制線路板技術相比，本文采用的厚膜混合集成電路工藝，版圖面積不足印制線路版圖面積的十分之一，電流采集精度也顯著提高，在固態功率控制器小型化設計方面具有廣闊的應用前景。

2厚膜工藝技術簡介

厚膜工藝技術是指將導電圖形、絕緣介質以及電阻電容等通過絲網印刷、干燥、燒成到陶瓷基板上的一種工藝技術[3]。厚膜混合電路是指利用厚膜工藝技術，將表貼元器件或裸芯片組裝到厚膜陶瓷基板上的混合電路[4]。厚膜混合電路基本工藝流程圖如圖1所示。

3電路設計與分析

電流采集電路的主要功能是將功率母線的電流取樣放大后以電壓的形式反映到輸出端，實現對母線電流的實時監測與采集，電路設計原理如圖2所示。圖2中RS為采樣電阻，V1、V2為高增益的對稱三極管，C1為濾波電容，R1、R2為匹配電阻，R3、R4為限流電阻，R5、R6為放大電阻，其中R1=R2，R3=R4，電阻R5上端為電流采集輸出端，假設RS兩端采樣電壓為VS，R5上端采集輸出電壓為VOUT，V1的發射極電壓為V1E，RS左端電壓為VS1，RS右端電壓為VS2，則V1的基極電壓為V1E-0.7，V2的發射極電壓為V1E-0.7+0.7=V1E，由于V1、V2的增益很大，一般在150~450V之間，所以基極電流可以忽略，認為IE=IC。又因為R3=R4，且V1的發射極電壓等于V2的發射極電壓，所以V1的集電極電流ICV1等于V2的集電極電流ICV2，V1的發射極電流IEV1等于V2的發射極電流IEV2。根據V1發射極節點的基爾霍夫電流定律：一般情況下，通過合理設置R5、R6與R1的比值即可將采樣電阻兩端的電壓通過輸出端VOUT反映出來。顯然，以上的推導過程是完全理想的，實際應用過程中，由于器件之間的差異，勢必將引起電路采集精度的變化。非理想狀態下，假設R1＞R2，則：由于電路采用厚膜混合電路工藝實現，電阻采用絲網印刷燒制，利用激光調阻技術可以對厚膜電阻精度進行精密調整[5]，因此當電路因器件性能差異引起采集精度下降時，正好可以通過厚膜激光調阻技術對電阻R1或R2進行初始零位修正。同理，也可通過激光調阻技術對R5、R6進行放大斜率修正。當電流采集電路輸出端VOUT的初始零位較低時，則利用激光調阻機對厚膜電阻R2進行微調，直至初始零位電壓微調至滿足要求為止；當電流采集電路輸出端VOUT的初始零位較高時，則對厚膜電阻R1進行微調，直至初始零位電壓微調至滿足要求為止。R5、R6作為放大電阻，兩者之和通常為千歐級，為提高電路的采集精度，通常將一只電阻設計成千歐級，利用激光調阻技術對放大斜率進行粗調，而將另一只電阻設計成歐姆級，利用激光調阻技術對放大斜率進行微調，以便得到最高的放大精度。

4電路版圖設計

4.1元器件分類

根據圖2所示電流采集電路原理，分類整理電路元器件信息如表1所示。RS作為電流采樣端的高精密電阻器，通常具有阻值低、精度高、溫度一致性好、負載耐受功率大、體積小和安裝可靠性高等特點，適用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多種安裝方式，廣泛應用于航空航天等大功率電流采樣電路中。分析得出，RS電阻的阻值精度將直接影響電路的采集精度，根據實際應用情況，RS電阻的取值范圍通常在1~100mΩ之間，阻值精度一般不超過5%，在采集精度要求較高的情況下阻值精度應不超過1%。C1作為濾波電容，通常選用一類瓷介電容器，該類電容器具有容值穩定性高、介質損耗小、絕緣電阻高、介電常數隨溫度呈線性變化等特點，同樣適用于手工焊接、再流焊和波峰焊等多種焊接方式[5]。實際應用過程中，C1電容的取值一般在pF量級。電阻R1~R6采用厚膜印刷工藝制作，具有精度高、體積小、可靠性高和溫漂小等特點。實際應用過程中， R1、R2的取值范圍通常在10~500Ω之間，R3、R4的取值通常不小于100kΩ，R5、R6的取值根據實際電路的放大倍數通常在1~100kΩ之間。V1~V3為高增益PNP型三極管，采用裸芯片粘接方式固定，具有體積小、功耗低、信號穩定性高等特點。實際應用過程中，為提高電路的采集精度，三極管V1、V2的電性能參數應高度一致，尤其是放大倍數的一致性，通常情況下兩者的放大倍數應滿足公式（9）中的關系：

4.2平面化設計

4.2.1片式阻容器件平面化設計采樣電阻RS和濾波電容C1采用表面焊接的方式安裝，在基板上設計時應當盡可能選取同一方向，以便于組裝。片式阻容兩端的焊接區應基本對稱，以免相差太大導致焊接時元件漂移，影響可靠性。各種尺寸的片式電阻器、片式電容器的焊接區形狀和尺寸通常按圖3和表2所示進行設計。4.2.2三極管芯片平面化設計三極管V1~V3采用裸芯片表面粘接的方式安裝，通常情況下半導體芯片的粘焊接區每邊應比芯片大0.15mm以上，推薦大于0.25mm，如圖4所示，A×B為粘焊接區尺寸，L×W為芯片尺寸。4.2.3厚膜電阻平面化設計電阻R1~R6采用厚膜絲網印刷工藝制作，設計時電阻方向應與基板邊緣平行，并盡可能使所有電阻的長度方向平行于基板的長度方向。電阻兩端搭接導帶與電阻膜一般應重疊Y=0.15mm以上，且端頭兩側應超出電阻膜寬X=0.10mm以上，如圖5所示。根據電路設計，假設R1=R2=100Ω，R3=R4=100kΩ，R5=1.9kΩ，R6=100Ω，選用3種方阻漿料即可滿足設計，分別為100Ω/□，1kΩ/□和100kΩ/□，電阻設計時按額定值的60%~80%設計，設計核查表如表3所示。

4.3整體設計

按厚膜混合集成電路平面設計規范的要求，電流采集電路的整體版圖設計如圖6所示。采用印制電路板技術，電流采集電路的整體版圖設計如圖7所示。采用厚膜混合集成電路工藝布局，電路的版圖面積為6.4mm×4.8mm=30.72mm2，采用印制線路板工藝布局，電路的版圖面積為21.5mm×16.5mm=354.75mm2。顯然，采用厚膜工藝布局布線，電路的版圖面積不足印制線路板面積的十分之一。

5測試結果

對上述兩種工藝技術制作的電流采集電路進行測試（取RS=10mΩ），結果表明，采用印制線路板技術制作的電流采集電路，采集精度可以達到95%以上；而采用厚膜混合集成電路工藝，利用厚膜激光調阻技術，采集精度可以達到98%以上，兩者測試數據比較如表4所示，采集精度由公式（10）得出。

6結論

本文設計了一種基于厚膜工藝的電流采集電路。與印制線路板工藝相比，電路版圖面積不足后者的十分之一，電流采集精度也有大幅度提高。目前，該厚膜電路已成功應用于多個型號的星載固態功率控制器的設計中。

參考文獻：

[1]蒲亞芳.一種基于厚膜工藝的電路版圖設計[J].現代電子技術，2014，37(4):118-120.

[2]王姜伙，王志勤.基于厚膜混合集成電路的激光調阻工藝研究[J].電子與封裝，2012，12(11):34-36.

[3]鄭福元，周立飛，虎軒東.厚薄膜混合集成電路：設計、制造和應用[M].北京：科學出版社，1984.

[4]呂乃康，樊百昌.厚膜混合集成電路[M].西安：西安交通大學出版社，1990.

[5]夏俊生.厚膜電阻的大范圍連續可調設計[J].電子與封裝，2009，9(2):27-31.

作者：倪春曉 趙國清 單位：山東航天電子技術研究所