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