CN105245210B - 一种限频控制混合集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种限频控制混合集成电路，包括差分运算、补偿放大、迟滞比较器、图腾柱驱动输出和基准电压电路；差分运算电路将外部的输入控制信号进行等比例放大输出，差分运算电路的输出信号与第二基准电压经补偿放大电路补偿放大后做为迟滞比较器电路的同相端输入信号，第一基准电压做为迟滞比较器电路的反相端输入信号；迟滞比较器电路输出为占空比0－100%的PWM波形，该PWM波形通过图腾柱驱动输出电路后作为驱动输出端。外部控制信号为从系统采样的三角波信号，经过放大、比较后形成PWM信号，再经过图腾柱输出，为系统后级功率电路提供可靠的驱动信号，同时完成对系统电源电压进行检测功能。

Description

一种限频控制混合集成电路

技术领域

本发明涉及基于三氧化二铝基板的全芯片锡焊工艺的限频控制混合集成电路，输出驱动信号稳定，差分放大精度高、差分放大电路通过外接调整端实现增益可调，射随电路将差分放大电路与比较电路进行隔离，图腾柱驱动输出电路提供驱动电流输出驱动电流600mA，信号占空比随外接反馈信号可连续调节0~100%，是一种满足太空环境长期可靠使用的混合集成电路。

背景技术

在空间系统中，由于电源的系统的管理要求越来越高，系统的工作时间越来越长，需要的电路体积越来越小，电路的可靠性要求越来越高，电路的长期可靠寿命也越来越高，并且要求电路的体积小，工作稳定，同时具有抗电离辐射、抗单粒子辐射。

限频控制电路可以提供控制信号给功率模块，对电源系统进行管理，可以根据系统要求，为功率模块提供高电平控制信号，控制将多余电荷泄放至电源地，稳定蓄电池电压；当限频控制电路根据系统要求，为功率模块提供低电平控制信号时，功率模块则对蓄电池充电。因此，如何设计高可靠（抗空间恶劣环境、高效散热、长期工作）的限频控制电路，成为本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的目的就是为了解决同类产品体积大、可靠寿命达不到15年在轨工作的要求，提供一种可靠性高、工作寿命长、抗空间各种辐射、限频控制电路。具有使用灵活，通用性强的特点。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种限频控制混合集成电路，其特征是，包括差分运算电路、补偿放大电路、迟滞比较器电路、图腾柱驱动输出电路和基准电压电路；

差分运算电路将外部的输入控制信号进行等比例放大输出，差分运算电路的输出信号与第二基准电压经补偿放大电路补偿放大后做为迟滞比较器电路的同相端输入信号，第一基准电压做为迟滞比较器电路的反相端输入信号；迟滞比较器电路输出为占空比0－100%的PWM波形，该PWM波形通过图腾柱驱动输出电路后作为驱动输出端。

差分运算电路包括第一运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容；

两路输入控制信号分别经第二电阻、第三电阻连接至第一运算放大器的反相输入端和同相输入端；第一运算放大器的输出端连接至差分采样电路，同时经第五电阻反馈至反相输入端；第三电容和第四电阻并联后连接到第一运算放大器的同相输入端与地之间。

补偿放大电路包括第二运放、第十五电阻、第十六电阻和外接的可调电阻；

差分运算电路的输出经、第十六电阻连接至第二运放的同相输入端，基准电压电路输出的第二基准电压经第十五电阻连接至第二运放的反相输入端；第二运放的输出端连接至迟滞比较器电路；第二运放的输出端同时经外接可调电阻反馈至第二运放的反相输入端。

第二运放的同相输入端外接可调电阻。

迟滞比较器电路包括第四比较器、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第十五电容、第十七电容、第十八电容和二极管；

补偿放大电路经第十八电阻连接至第四比较器的同相输入端，基准电压电路输出的第一基准电压经第十七电阻连接至第四比较器的反相输入端；第四比较器的同相输入端、反相输入端之间连接第十五电容；第四比较器的输出端连接第二十二电阻，第二十二电阻另一端连接至图腾柱驱动输出电路中，同时，第二十二电阻另一端还与二极管的负极相连接，二极管的正极接地；同时，第二十二电阻另一端经第二十一电阻反馈至第四比较器的同相输入端；第四比较器的负电源端经第二十电阻接－12V电源，同时，第四比较器的负电源端经第十八电容接地；第四比较器的正电源端经第十九电阻接+12V电源，同时，第四比较器的正电源端经第十七电容接地。

图腾柱驱动输出电路包括第二三极管、第三三极管、第二十三电阻、第二十四电阻和第二十五电阻；

迟滞比较器电路的输出端分别连接至第二三极管和第三三极管的基极，第二三极管、第三三极管的源极共接；第二三极管漏极经第二十三电阻接+12V电源；第二三极管漏极经第二十五电阻接地GND；第二三极管、第三三极管的源极共接点经第二十四电阻连接至驱动输出端。

本发明采用双极工艺的运算放大器芯片构成差分运算电路、补偿放大电路和射极跟随电路、双极工艺比较器芯片构成迟滞比较器电路、双极工艺REF芯片构成基准电压源，二极管芯片、两个三极管构成图腾柱驱动输出电路；芯片电气连接采用同质键合（铝铝键合和金金键合），IC芯片、键合点过渡芯片采用共晶焊接的组装，芯片输出点与基板上的键合点过渡芯片通过连接，AL2O3基板采用共晶焊工艺焊接到金属外壳呢，提高抗离心加速度冲击的能力。

在电路中，差分运算电路将外部输入的控制信号（锯齿波）进行等比例放大的输出与第二基准电压Vref2再经过补偿放大(差分)电路做为迟滞比较器电路的同相输入信号，第一基准电压Vref1做为迟滞比较器电路的反相输入信号。则迟滞比较器电路输出为占空比0－100%的PWM波形，该信号通过图腾柱驱动输出电路。

本发明涉及一种基于三氧化二铝基板的全芯片锡焊工艺的限频控制电路（高可靠的混合集成电路），电路由基准电压电路、差分放大电路、迟滞比较电路、图腾柱驱动等组成，基准电压源、差分放大电路、迟滞比较电路等IC芯片和阻、容元件通过锡焊工艺组装到三氧化二铝基板，芯片信号端通过硅铝丝键合到过渡芯片上实现内部电路的电学连接，外引线通过金丝键合完成电学连接。

外部控制信号为从系统采样的三角波信号，经过放大、比较后形成PWM信号，再经过图腾柱输出，获得低电平为0V，高电平9V，频率为0～10k、占空比0～100%连续可调的方波电压，为系统后级功率电路提供可靠的驱动信号，同时完成对系统电源电压进行检测功能。

本发明的优点是高质量等级、达到很高的抗力学水平：耐恒定加速度应力至少在20000g，机械冲击应力水平在10000g以上，随机振动应力水平20～2000Hz，总均方根值大于20grms，具有抗电离辐射能力（30kRAD），可靠工作寿命达15年的混合集成电路。

附图说明

图1限频控制电路原理图；

图2差分运算电路图；

图3补偿放大电路图；

图4迟滞比较器电路图；

图5图腾柱驱动电路图；

图6 Vref电路。

具体实施方式

由图1所示，本发明的一种限频控制电路，包括差分运算、补偿放大、迟滞比较器、图腾柱驱动输出、基准电压电路（或称Vref电路）。差分运算电路将外部的输入控制信号（锯齿波）进行等比例放大的输出与基准电压Vref2再经过补偿放大(差分)电路做为迟滞比较器电路的同相输入信号，基准电压Vref1做为迟滞比较器电路的反相输入信号。则迟滞比较器电路输出为占空比0－100%的PWM波形，该信号通过图腾柱驱动输出电路。

由图2所示，差分运算电路由运算放大器N1D、电阻R2、R3、R4、R5、电容C3、C4构成。输入控制信号1、2分别经电阻R2、R3连接至运算放大器N1D的反相输入端和同相输入端；运算放大器N1D的输出端连接至补偿放大电路，同时经电阻R5反馈至反相输入端。运算放大器N1D的同相输入端还连接至信号调整端Vq，可外接电容或电阻到地。电容C3、C4和电阻R4并联后连接到运算放大器N1D的同相输入端与地之间。电阻R2、R3、R4、R5决定放大系数，电容C3、C4滤波。

由图3所示，补偿放大电路由运放、电阻R15、R16和根据需要外接可调电阻构成，对信号进行补偿放大。差分运算电路的输出经电阻R16连接至运放N1C的同相输入端，Vref 电路输出的基准电压Vref2经电阻R15连接至运放N1C的反相输入端。运放N1C的输出端连接至迟滞比较器，运放N1C的输出端同时经外接可调电阻反馈至运放N1C的反相输入端。运放N1C的同相输入端也可以根据需要外接可调电阻。

由图4所示，迟滞比较器由比较器N4、电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、电容C15、C16、C17、C18、C19、C20和二极管V1构成。补偿放大电路经电阻R18连接至比较器N4的同相输入端，Vref 电路输出的基准电压Vref1经电阻R17连接至比较器N4的反相输入端。 比较器N4的同相输入端、反相输入端之间串联电容C15、C16。比较器N4的输出端连接一电阻R22，电阻R22另一端连接至图腾柱驱动输出电路中，同时，电阻R22另一端还与二极管V1的负极相连接，二极管V1的正极接地；同时，电阻R22另一端经电阻R21反馈至比较器N4的同相输入端。比较器N4的负电源端经电阻R20接－12V电源，同时，比较器N4的负电源端经串联的电容C18、C20接地。比较器N4的正电源端经电阻R19接+12V电源，同时，比较器N4的正电源端经串联的电容C17、C19接地。

电容C15、C16信号滤波，增强抗干扰作用，电容C17、C18、C19、C20、电阻R19、R20为电源滤波。二极管V1构成负电压箝位电路。

由图5所示，图腾柱驱动输出电路由三极管V2、V3、电阻R23、R24、R25构成，图腾柱驱动输出电路有利于MOS管导通和关断时栅极的充电和放电。迟滞比较器的输出端分别连接至三极管V2、V3的基极，三极管V2、V3的源极共接。三极管V2漏极经电阻R23接+12V电源。三极管V2漏极经电阻R25接地GND。三极管V2、V3的源极共接点经电阻R24连接至输出端。

由图6所示，Vref电路包括基准电压芯片Vref、电阻R1、R6，电容C1、C2、C5、C6和外接可调电阻，为电路内部提供两个基准电压信号Vref1、Vref2。电容C1、C2与电阻R1为电源退耦电路。基准电压芯片Vref的正电源端经电阻R1接+12V电源；基准电压芯片Vref的正电源端同时经串联的电容C1、C2接地，基准电压芯片Vref的接地端接电源地GND，基准电压芯片Vref的输出端输出基准电压信号Vref1，基准电压芯片Vref的输出端同时经过串联的电阻R6、外接可调电阻接电源地，电阻R6与外接可调电阻的共接点输出基准电压信号Vref2。电容C5、C6与外接可调电阻并联。

电路封装形式采用金属外壳气密性封装；IC芯片采用铝丝－过渡芯片进行键合，过渡芯片与基板、基板与外壳采用锡焊互连，外引线采用金丝键合互连；共晶焊实现衬底与金属外壳底座间的焊接。

本发明用于航天器电源分系统，采用可靠设计保证电路长时间经受各种环境应力后，参数仍不会漂移。电路内部器件均进行降额1级设计，抗辐照设计。

Claims (5)

1.一种限频控制混合集成电路，其特征是，包括差分运算电路、补偿放大电路、迟滞比较器电路、图腾柱驱动输出电路和基准电压电路；

差分运算电路将外部的输入控制信号进行等比例放大输出，差分运算电路的输出信号与第二基准电压经补偿放大电路补偿放大后做为迟滞比较器电路的同相端输入信号，第一基准电压做为迟滞比较器电路的反相端输入信号；迟滞比较器电路输出为占空比0－100%的PWM波形，该PWM波形通过图腾柱驱动输出电路后作为驱动输出端；

迟滞比较器电路包括第四比较器、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第十五电容、第十七电容、第十八电容和二极管；

补偿放大电路经第十八电阻连接至第四比较器的同相输入端，基准电压电路输出的第一基准电压经第十七电阻连接至第四比较器的反相输入端；第四比较器的同相输入端、反相输入端之间连接第十五电容；第四比较器的输出端连接第二十二电阻，第二十二电阻另一端连接至图腾柱驱动输出电路中，同时，第二十二电阻另一端还与二极管的负极相连接，二极管的正极接地；同时，第二十二电阻另一端经第二十一电阻反馈至第四比较器的同相输入端；第四比较器的负电源端经第二十电阻接－12V电源，同时，第四比较器的负电源端经第十八电容接地；第四比较器的正电源端经第十九电阻接+12V电源，同时，第四比较器的正电源端经第十七电容接地。

2.根据权利要求1所述的限频控制混合集成电路，其特征是，

差分运算电路包括第一运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第三电容；

两路输入控制信号分别经第二电阻、第三电阻连接至第一运算放大器的反相输入端和同相输入端；第一运算放大器的输出端连接至差分采样电路，同时经第五电阻反馈至反相输入端；第三电容和第四电阻并联后连接到第一运算放大器的同相输入端与地之间。

3.根据权利要求1所述的限频控制混合集成电路，其特征是，

补偿放大电路包括第二运放、第十五电阻、第十六电阻和外接的可调电阻；

差分运算电路的输出经、第十六电阻连接至第二运放的同相输入端，基准电压电路输出的第二基准电压经第十五电阻连接至第二运放的反相输入端；第二运放的输出端连接至迟滞比较器电路；第二运放的输出端同时经外接可调电阻反馈至第二运放的反相输入端。

4.根据权利要求3所述的限频控制混合集成电路，其特征是，

第二运放的同相输入端外接可调电阻。

5.根据权利要求1所述的限频控制混合集成电路，其特征是，

图腾柱驱动输出电路包括第二三极管、第三三极管、第二十三电阻、第二十四电阻和第二十五电阻；

迟滞比较器电路的输出端分别连接至第二三极管和第三三极管的基极，第二三极管、第三三极管的源极共接；第二三极管漏极经第二十三电阻接+12V电源；第二三极管漏极经第二十五电阻接地GND；第二三极管、第三三极管的源极共接点经第二十四电阻连接至驱动输出端。