CN103151342B - 一种多路阀门驱动的vmos混膜集成芯片 - Google Patents

一种多路阀门驱动的vmos混膜集成芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其包括多组功率开关，每一组功率开关作为一路阀门的输出，所述功率开关包括第一功率MOS管V1、第二功率MOS管V2、第三功率MOS管V3、第四功率MOS管V4，V1和V2串联而成的左桥臂作为第一上下桥臂驱动端，V3和V4串联而成的右桥臂作为第二上下桥臂驱动端，所述左桥臂与右桥臂并联。本发明实现了单芯片的多路阀门驱动和整器的减重减小体积的要求，减少了板极线的内部互连，精简了板级布线设计并且芯片简洁可靠，该芯片将在航天领域具有重大的意义。

Description

一种多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片
技术领域
本发明用于航天推进领域，具体涉及驱动多路阀门的混膜集成芯片，以减小器件的体积和重量。
背景技术
航天推进领域根据不同的应用有多种阀门，可分为推进剂的流量控制阀门和管路的压力控制阀门，各种阀门和不同推力的推力器组合，用于航天器的姿态控制和轨道调整，是航天器推进***的重要组件。所有阀门的开关均通过推进分***控制线路盒内的驱动功率管来实现。为了满足可靠性要求，驱动阀门的功率管采用并联或串联的冗余方式。阀门的路数越多，需要的功率管数量越大，而功率驱动管本身体积非常大，限制了单板中控制电路的数量，导致最终的产品体积庞大、重量重。然而，航天领域对产品的重量与体积都有着苛刻的要求，为了解决超大超重的问题，能驱动多路阀门的混膜集成芯片应运而生。此前未见国内外有类似或相关的报告。
发明内容
本发明的目的在于采用混合集成技术，将多个现有分立的功率驱动芯片内核做成串并联模式的专用芯片，驱动多路负载，从而减小驱动印刷线路板的体积及重量，增加单板可容纳的控制回路总数，减小航天器的体积和重量。
本发明提供的方案是用VMOS芯片的内核串并联作为一路负载（阀门）的输出，一个混膜集成芯片可驱动4路负载，根据驱动负载的功率大小不同，集成了两款不同的芯片,其中，VMOS为具有垂直沟道的绝缘栅型场效应管。
根据本发明的一个方面，提供一种多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其包括多组功率开关，每一组功率开关作为一路阀门的输出，其中：所述功率开关包括第一功率MOS管V1、第二功率MOS管V2、第三功率MOS管V3、第四功率MOS管V4，所述第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2串联而成的左桥臂作为第一上下桥臂驱动端，所述第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4串联而成的右桥臂作为第二上下桥臂驱动端，所述左桥臂与右桥臂并联。
优选地，当第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2为高电平，而第三功率MOS管V3的端口AO3、第四功率MOS管V4的端口AO4为低电平时，第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2导通，第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4截止，即该组功率开关的左桥臂导通；
当第三功率MOS管V3的端口AO3、第四功率MOS管V4的端口AO4为高电平，而第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2为低电平时，第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2截止，第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4导通，即该组功率开关的右桥臂导通；
第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2、第三功率MOS管V3的端口AO3和第四功率MOS管V4的端口AO4全为高电平时，该组功率开关的左桥臂、右桥臂均导通。
优选地，其外壳采用10#钢。
优选地，单路最大工作电流为4.5A。
优选地，其外壳采用可伐铬金。
优选地，单路最大工作电流为3A。
优选地，二次电源电压为+5V、+12V，功率电源电压为+28V。
优选地，功率开关的组数为4组，分别驱动4路负载。
比如推进线路盒中，单块模块设计为驱动7路电磁阀和4路自锁阀，尺寸234mm×234mm，固封后单模块重量1.015kg。而同样尺寸234mm*234mm的板子，可以放9个HG9401A，或者24个HG9401B。其中HG9401B驱动自锁阀，而自锁阀的开关分别控制，故一个HG9401B控制2个自锁阀的状态。就是说该板子可以驱动9路电磁阀和12路自锁阀，明显减少了板子的用量。上文中提到的7个电磁阀和4个自锁阀只需用2片HG9401A和2片HG9401B即可实现。从以上分析可知，使用混膜集成芯片方案大大缩减了分立元器件的使用个数，精简了PCB板的尺寸和整体器件的重量，非常符合航天产业的要求。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
首先，实现了单芯片的多路阀门驱动；
其次，实现了整器的减重减小体积的要求；
再次，减少了板极线的内部互连，精简了板级布线设计；
最后，芯片内部的电路是成熟电路，使得该芯片简洁可靠，该芯片将在航天领域具有重大的意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为单路阀门驱动示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的集成芯片的俯视图。
图3是根据本发明的另一个实施例的集成芯片的俯视图。
图4是根据本发明的一个实施例的集成芯片管脚分布图。
图5是根据本发明的另一个实施例的集成芯片管脚分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据以往分立元器件的经验，选用IR公司的军品器件die作为功率器件，TI的CD40109 die为电平转换芯片。导电采用Au浆料和PdAg浆料，用Φ25μm金丝和铝丝键合内引线，用Φ25μm金丝和镀银铜丝键合外引线，最大电流在19A以上。集成芯片以陶瓷作为基板，保证良好的绝缘、导热和散热，而且耐高温。线路上的电阻也是用导电浆料，并采用激光调阻，可以达到较准确的阻值。片内的16个功率器件是最主要的发热源，要均匀分布不至于局部过热。每路阀门控制都有独立的电源、地、使能。参见图4和图5的管脚分布图。
通过对HG9401A和HG9401B两种芯片的特性分析，HG9401A的逻辑控制比较复杂，整个电路的功耗大。因此，四路逻辑控制电平的有序性、准确性和电路的热设计将成为整个电路的关键设计特性。
在优选例中，选用便于散热安装的代双侧安装孔的功率金属管壳UPP6737－24；采用混合厚膜工艺对该电路进行二次集成，即使用通用的厚膜成膜，金丝和铝丝健合等常规厚膜工艺。为使整个电路散热均匀，版图设计时使功率芯片分开均匀布置，以防止热集中；为使功率芯片产生的热量快速传递至基片、使基片热量快速传递至金属外壳，功率芯片与基片、基片与外壳之间均采用锡焊工艺。
在封装方面，该电路采用了金属外壳充氮全气密性平行缝焊封装，以确保电路封装的高可靠性。电路通过工艺摸底试验验证了其工艺可行性。
HG9401B的逻辑控制也较复杂，但由于用于脉冲式控制自锁阀的开、关工作，电路的整个功率较小，属于小功率电路，采用双列直插式32引线晋书外壳全气密性封装结构形式，能够满足电路的散热要求。
在EMC设计方面，两种模块均设置了管壳屏蔽地（GNDS），能有效地保护电路遭受外部电磁环境的影响。同时，电路内部的功率地与二次电源地独立布线，防止电源间的相互影响及强电流对控制信号的影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，其包括多组功率开关，每一组功率开关作为一路阀门的输出，其中：所述功率开关包括第一功率MOS管V1、第二功率MOS管V2、第三功率MOS管V3、第四功率MOS管V4，所述第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2串联而成的左桥臂作为第一上下桥臂驱动端，所述第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4串联而成的右桥臂作为第二上下桥臂驱动端，所述左桥臂与右桥臂并联。
2.根据权利要求1所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，
当第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2为高电平，而第三功率MOS管V3的端口AO3、第四功率MOS管V4的端口AO4为低电平时，第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2导通，第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4截止，即该组功率开关的左桥臂导通；
当第三功率MOS管V3的端口AO3、第四功率MOS管V4的端口AO4为高电平，而第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2为低电平时，第一功率MOS管V1和第二功率MOS管V2截止，第三功率MOS管V3和第四功率MOS管V4导通，即该组功率开关的右桥臂导通；
第一功率MOS管V1的端口AO1、第二功率MOS管V2的端口AO2、第三功率MOS管V3的端口AO3和第四功率MOS管V4的端口AO4全为高电平时，该组功率开关的左桥臂、右桥臂均导通。
3.根据权利要求1或2所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，其外壳采用10#钢。
4.根据权利要求3所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，单路最大工作电流为4.5A。
5.根据权利要求1或2所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，其外壳采用可伐铬金。
6.根据权利要求5所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，单路最大工作电流为3A。
7.根据权利要求1或2所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，二次电源电压为+5V、+12V，功率电源电压为+28V。
8.根据权利要求1或2所述的多路阀门驱动的VMOS混膜集成芯片，其特征在于，功率开关的组数为4组，分别驱动4路负载。
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