某型彈載二次電源設(shè)計
加入技術(shù)交流群
1 二次電源基本要求
1．1 高的可靠性
平均無故障時間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)計制造出的開關(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，應(yīng)能及時診斷出故障現(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)計的小型化、電磁兼容性好，DC—DC效率高，可以滿足各個組件的用電需求，線性集成穩(wěn)壓電源的測試和調(diào)試相對簡單，如果兩者結(jié)合對產(chǎn)品的后續(xù)階段設(shè)計提供了方便。綜合考慮線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源或者復(fù)合型設(shè)計等方案，分析各種方案的優(yōu)缺點和可行性后，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，也就是復(fù)合型設(shè)計。采用該設(shè)計有比較高的效率，可滿足各組件的用電需求，對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)計分析
3．1 電源接地設(shè)計
設(shè)計電源還有個重點也是難點，就是接地。接地從字面來十分簡單，但是對于經(jīng)歷過電磁干擾挫折的人來說可能是一個最難掌握的技術(shù)。實際上，在電磁兼容設(shè)計中，接地是最難的技術(shù)。面對一個系統(tǒng)，沒有一個人能夠提出一個絕對正確的接地方案，多少會遺留一些問題。造成這種情況的原因是接地沒有一個系統(tǒng)的理論或模型，人們在考慮接地時只能依靠過去的經(jīng)驗或從書上看到的經(jīng)驗。但接地是一個十分復(fù)雜的問題，在其他場合很好的方案在這里不一定最好。關(guān)于接地設(shè)計在很大程度上依賴設(shè)計師的直覺，也就是他對“接地”這個概念的理解程度和經(jīng)驗。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 單點接地
單點接地有單元電路的、電路問的和設(shè)備間的單點接地。如圖1所示為單點接地示意圖。其優(yōu)點是可以抑制傳導(dǎo)干擾。單點接地時，由于各電路和設(shè)備都接在一個接地點上，從而消了信號地系統(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通過接地電路進(jìn)入信號電路。這樣的接地使用導(dǎo)線長，接地線本身的阻抗可觀，對于高頻信號接地效果不好。當(dāng)接線長度達(dá)到1／4信號波長或其奇數(shù)倍時，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 多點接地
在多點接地系統(tǒng)中，各電路和設(shè)備有多點并聯(lián)接地。因為可以就近接地，接地導(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回路中去。工程實踐表明，如能將電源和信號的回流線分開，強(qiáng)信號和弱信號的回流線分開，微弱信號和火工品信號等敏感信號采用單獨的回流線，就會大大減少的回路引起的干擾。圖2所示為多點接地示意圖。
3．1．3 混合接地
混合接地既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點接地，而射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用圖3所示的混合接地。對于直流，電容是開路的，電路是單點接地，對于射頻，電容是導(dǎo)通的，電路是多點接地。圖3所示為混合接地示意圖。
實際應(yīng)用中，信號頻率低于1 MHz時，采用單點接地；高于10 MHz時，多點接地；頻率在1～10 MHz之間時，如果接地線長度大于1／20波長，采用單點接地；否則，應(yīng)采用多點接地。該彈載二次電源是低頻電路，所以選擇單點接地，并且設(shè)計電路板時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
因產(chǎn)品在工作時包括“預(yù)熱”與“準(zhǔn)備”，正常工作時僅包括“預(yù)熱”，所以還要設(shè)計電源切換部分，見圖4。
電源在預(yù)熱狀態(tài)時，27 V電源的瞬態(tài)電流達(dá)到5．6 A；在準(zhǔn)備狀態(tài)時，27 V預(yù)熱和28．5 V準(zhǔn)備同時供電，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
該電源中有12 V電源，主要為幾個微波組件供電，對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，特選擇線性穩(wěn)壓電壓電路進(jìn)行設(shè)計。此處不給具體數(shù)值，僅舉例說明選取合適的電容對消除紋波的影響，如圖5所示。
在電源輸入端接入了一個限流保護(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，同時對模塊進(jìn)行瞬時短路的電流保護(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上疊加一個交流分量后觀察輸出情況，該處輸出紋波大小是重點，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 開關(guān)電源電路設(shè)計
該電源也使用了DC—DC模塊電路，在此對其優(yōu)缺點進(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。
該電路是一個比較典型的開關(guān)電源電路，其最大的優(yōu)點就是效率高，電路采用的模塊能達(dá)到90％的利用率。開關(guān)電源的最大缺點是輸出紋波較大，除了輸入整流脈動成分外，主要是開關(guān)頻率基波紋波，呈鋸齒波狀，同時還有功率開關(guān)管在導(dǎo)通一截止過渡狀態(tài)產(chǎn)生的尖峰開關(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，可能只觀察到整流脈動的低頻成分，開關(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)與開關(guān)頻率相匹配，如圖9所示。
對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，輸出銅線盡可能寬，且線間距不宜過大，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)于濾波的問題，無論線性電源還是開關(guān)電源，輸出紋波過大都是不愿意見到的問題。解決這個問題除了從原理上增加濾波電容外，還要利用實際工程經(jīng)驗，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，這些都會對減小紋波能有很大的幫助。還有就是實際工程中遇到的問題，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，同時還要考慮其效率以及散熱問題。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，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放置設(shè)計，之間用導(dǎo)線連接。
5 結(jié)語
該設(shè)計方案中關(guān)鍵元器件均選用成熟產(chǎn)品，質(zhì)量可靠；同時充分考慮接地、濾波、空間、散熱和電磁兼容性設(shè)計。這使得二次電源設(shè)計簡潔，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)計裝配調(diào)試容易，滿足后續(xù)工程化要求。
評論