某型彈載二次電源設(shè)計(jì)
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1 二次電源基本要求
1．1 高的可靠性
平均無(wú)故障時(shí)間MTBF是衡量電源可靠性重要指標(biāo)，在通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，可靠性指標(biāo)大于等于3 000 h是最低要求。
1．2 高的安全性
設(shè)計(jì)制造出的開(kāi)關(guān)電源，應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中規(guī)定的安全指標(biāo)要求，如散熱要求，抗電強(qiáng)度要求，防人身觸電要求等，以防止在極限狀態(tài)或者惡劣環(huán)境條件下，出現(xiàn)電源故障危及人身和設(shè)備安全。
1．3 好的可維修性
電源出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能及時(shí)診斷出故障現(xiàn)象及部位，并且可以有效地解決故障或者更換故障模塊。
2 二次電源設(shè)計(jì)思路
彈載電源由于其空間和系統(tǒng)性要求，需要二次電源設(shè)計(jì)的小型化、電磁兼容性好，DC—DC效率高，可以滿足各個(gè)組件的用電需求，線性集成穩(wěn)壓電源的測(cè)試和調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單，如果兩者結(jié)合對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)階段設(shè)計(jì)提供了方便。綜合考慮線性穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源或者復(fù)合型設(shè)計(jì)等方案，分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性后，此二次電源將采用線性集成穩(wěn)壓電源與DC—DC結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是復(fù)合型設(shè)計(jì)。采用該設(shè)計(jì)有比較高的效率，可滿足各組件的用電需求，對(duì)于紋波要求比較高的供電電路采用線性穩(wěn)壓電源。
3 二次電源具體設(shè)計(jì)分析
3．1 電源接地設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)電源還有個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)，就是接地。接地從字面來(lái)十分簡(jiǎn)單，但是對(duì)于經(jīng)歷過(guò)電磁干擾挫折的人來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)最難掌握的技術(shù)。實(shí)際上，在電磁兼容設(shè)計(jì)中，接地是最難的技術(shù)。面對(duì)一個(gè)系統(tǒng)，沒(méi)有一個(gè)人能夠提出一個(gè)絕對(duì)正確的接地方案，多少會(huì)遺留一些問(wèn)題。造成這種情況的原因是接地沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的理論或模型，人們?cè)诳紤]接地時(shí)只能依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)或從書(shū)上看到的經(jīng)驗(yàn)。但接地是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，在其他場(chǎng)合很好的方案在這里不一定最好。關(guān)于接地設(shè)計(jì)在很大程度上依賴設(shè)計(jì)師的直覺(jué)，也就是他對(duì)“接地”這個(gè)概念的理解程度和經(jīng)驗(yàn)。接地的方法很多，具體使用那一種方法取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。
3．1．1 單點(diǎn)接地
單點(diǎn)接地有單元電路的、電路問(wèn)的和設(shè)備間的單點(diǎn)接地。如圖1所示為單點(diǎn)接地示意圖。其優(yōu)點(diǎn)是可以抑制傳導(dǎo)干擾。單點(diǎn)接地時(shí)，由于各電路和設(shè)備都接在一個(gè)接地點(diǎn)上，從而消了信號(hào)地系統(tǒng)中的干擾電流的閉合回路。設(shè)備地上的干擾電壓也不會(huì)通過(guò)接地電路進(jìn)入信號(hào)電路。這樣的接地使用導(dǎo)線長(zhǎng)，接地線本身的阻抗可觀，對(duì)于高頻信號(hào)接地效果不好。當(dāng)接線長(zhǎng)度達(dá)到1／4信號(hào)波長(zhǎng)或其奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗變得很高，它就不是接地線而更像是輻射天線。
3．1．2 多點(diǎn)接地
在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，各電路和設(shè)備有多點(diǎn)并聯(lián)接地。因?yàn)榭梢跃徒拥?，接地?dǎo)線短，可以減少高頻駐波效應(yīng)。但這種接地方法出現(xiàn)了多個(gè)地回路。公共地中的50 Hz市電容易經(jīng)公共地回路耦合到信號(hào)回路中去。工程實(shí)踐表明，如能將電源和信號(hào)的回流線分開(kāi)，強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的回流線分開(kāi)，微弱信號(hào)和火工品信號(hào)等敏感信號(hào)采用單獨(dú)的回流線，就會(huì)大大減少的回路引起的干擾。圖2所示為多點(diǎn)接地示意圖。
3．1．3 混合接地
混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地，而射頻信號(hào)又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)就可以采用圖3所示的混合接地。對(duì)于直流，電容是開(kāi)路的，電路是單點(diǎn)接地，對(duì)于射頻，電容是導(dǎo)通的，電路是多點(diǎn)接地。圖3所示為混合接地示意圖。
實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí)，采用單點(diǎn)接地；高于10 MHz時(shí)，多點(diǎn)接地；頻率在1～10 MHz之間時(shí)，如果接地線長(zhǎng)度大于1／20波長(zhǎng)，采用單點(diǎn)接地；否則，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。該彈載二次電源是低頻電路，所以選擇單點(diǎn)接地，并且設(shè)計(jì)電路板時(shí)也要注意地線盡量寬并且走直線，保證接地干凈。
3．2 電源切換設(shè)計(jì)
因產(chǎn)品在工作時(shí)包括“預(yù)熱”與“準(zhǔn)備”，正常工作時(shí)僅包括“預(yù)熱”，所以還要設(shè)計(jì)電源切換部分，見(jiàn)圖4。
電源在預(yù)熱狀態(tài)時(shí)，27 V電源的瞬態(tài)電流達(dá)到5．6 A；在準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，27 V預(yù)熱和28．5 V準(zhǔn)備同時(shí)供電，電流達(dá)到5．25 A；在脫離載機(jī)后，電源為單一28．5 V準(zhǔn)備供電，電流達(dá)到5．25 A。根據(jù)電壓和電流特性，選取的二極管應(yīng)滿足額定電流大，反向工作電壓高，滿足使用要求，其封裝容易安裝，并且安裝在放置艙殼體上利于二極管的散熱。
3．3 線性穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)
該電源中有12 V電源，主要為幾個(gè)微波組件供電，對(duì)電源紋波水平要求較高，為了滿足要求充分利用線性電源的優(yōu)勢(shì)，特選擇線性穩(wěn)壓電壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。此處不給具體數(shù)值，僅舉例說(shuō)明選取合適的電容對(duì)消除紋波的影響，如圖5所示。
在電源輸入端接入了一個(gè)限流保護(hù)電阻，用于降低集成穩(wěn)壓器的壓降，減少集成穩(wěn)壓器自身的功耗，提高模塊的效率，同時(shí)對(duì)模塊進(jìn)行瞬時(shí)短路的電流保護(hù)。輸入／輸出端接入電容C起到了濾波并改善負(fù)載瞬時(shí)效應(yīng)的作用，從而降低輸出紋波。電路中所有集成穩(wěn)壓器選用固定正壓輸出系列。在輸入電壓30 V上疊加一個(gè)交流分量后觀察輸出情況，該處輸出紋波大小是重點(diǎn)，所以一定要選擇合適電容進(jìn)行濾波，是否使用合適電容輸出紋波區(qū)別很大，分別如圖6，圖7所示。
3．4 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)
該電源也使用了DC—DC模塊電路，在此對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并且提出解決辦法，此處不給出具體數(shù)值，僅做原理分析。如圖8所示。
該電路是一個(gè)比較典型的開(kāi)關(guān)電源電路，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高，電路采用的模塊能達(dá)到90％的利用率。開(kāi)關(guān)電源的最大缺點(diǎn)是輸出紋波較大，除了輸入整流脈動(dòng)成分外，主要是開(kāi)關(guān)頻率基波紋波，呈鋸齒波狀，同時(shí)還有功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通一截止過(guò)渡狀態(tài)產(chǎn)生的尖峰開(kāi)關(guān)噪聲重疊在鋸齒波上，用示波器觀察輸出紋波，當(dāng)掃描頻率低時(shí)，可能只觀察到整流脈動(dòng)的低頻成分，開(kāi)關(guān)頻率基波紋波被低頻所調(diào)制。觀察基波紋波，掃描頻率應(yīng)與開(kāi)關(guān)頻率相匹配，如圖9所示。
對(duì)此采取解決辦法就是在輸出端口增加濾波電容，并且PCB板布線時(shí)，輸出銅線盡可能寬，且線間距不宜過(guò)大，輸出并聯(lián)電容應(yīng)盡可能與模塊電源靠近，以降低干擾。
4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑
主要就是關(guān)于濾波的問(wèn)題，無(wú)論線性電源還是開(kāi)關(guān)電源，輸出紋波過(guò)大都是不愿意見(jiàn)到的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題除了從原理上增加濾波電容外，還要利用實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，比如PCB板布線盡量寬，間距盡量小，輸出電容與模塊盡量靠近，這些都會(huì)對(duì)減小紋波能有很大的幫助。還有就是實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題，導(dǎo)引頭二次電源中部分電路輸出電流較大，要選擇合適的集成穩(wěn)壓電源，同時(shí)還要考慮其效率以及散熱問(wèn)題。目前，線性集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品種類多，其體積小，穩(wěn)定性好，精度高，噪聲小，紋波抑制性強(qiáng)，電磁兼容性好。但是其效率較低，是散熱較大的功率器件。借鑒以前的經(jīng)驗(yàn)，線性電源部分放置在放置艙表面，DC—DC模塊位于電子艙內(nèi)部用于向處理機(jī)供電，集成穩(wěn)壓器外圍電路元器件較少，集成穩(wěn)壓器和外部器件分開(kāi)放置設(shè)計(jì)，之間用導(dǎo)線連接。
5 結(jié)語(yǔ)
該設(shè)計(jì)方案中關(guān)鍵元器件均選用成熟產(chǎn)品，質(zhì)量可靠；同時(shí)充分考慮接地、濾波、空間、散熱和電磁兼容性設(shè)計(jì)。這使得二次電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，所用元器件數(shù)量少，體積小，最終能達(dá)到輸出紋波小，穩(wěn)壓特性好，并且設(shè)計(jì)裝配調(diào)試容易，滿足后續(xù)工程化要求。
評(píng)論