小型機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)與研究

摘要：根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了回掃式變換的原理，并結(jié)合典型的回掃式控制器LM2588，介紹了一種高效、可靠、對(duì)空間敏感小型機(jī)載計(jì)算機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)。此外，對(duì)關(guān)鍵部件——高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)和相關(guān)理論進(jìn)行了一定的分析和探討。關(guān)鍵詞：機(jī)載計(jì)算機(jī) 回掃式 高頻脈沖變壓器 LM2588 小體積、輕重量、高可靠性、高效率是航空電源始終追求的目標(biāo)。隨著微電子技術(shù)發(fā)展，采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的機(jī)載計(jì)算機(jī)主機(jī)已越來(lái)越小型化，這就對(duì)其電源部件的體積和重量提出了進(jìn)一步小型化的要求。機(jī)載計(jì)算機(jī)是一種抗惡劣環(huán)境的計(jì)算機(jī)，其電源部分也必須滿足抗惡劣環(huán)境的要求，例如必須適應(yīng)-55℃～+125℃的環(huán)境溫度和較膏藥范圍的輸入電壓；同時(shí)還要耐振動(dòng)、耐撞擊、抗電磁干擾等。 1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的技術(shù)要求 某機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)電源部件的技術(shù)要求見(jiàn)表1。表1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)電源技術(shù)要求 輸入直流電壓27V（24V～32V）輸出直流電壓多路輸出電壓種類+5V12V-32.5輸出電流4A0.2A0.05A穩(wěn)壓精度≤%26;#177;1%≤%26;#177;2%≤%26;#177;2%紋波電壓Vp-p50mV120mV300mV工作溫度-55℃～+125℃外型尺寸362mm%26;#215;160mm%26;#215;15mm　　重量≤0.5kg具有短路、過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)；滿足其它機(jī)載條件。2 回歸式變換原理 根據(jù)該電源部件輸出電壓種類多、給定的外型尺寸小、輸入電壓變化范圍大、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)小型、高效、可靠的供電電源。為此，選擇回掃式變換電路（又稱flyback、ON-OFF型）進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖1為其典型電路結(jié)構(gòu)。此電路簡(jiǎn)潔可靠，主開(kāi)關(guān)元件和變壓器利用率很高，由于采用了峰值電感電流檢測(cè)技術(shù)，可以靈敏地限制最大輸出電流，因此高頻脈沖變壓器不必設(shè)計(jì)較大的余量，特別適用于幾百瓦以下功率的電源系統(tǒng)中。其基本工作原理為：當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)（TON），電流流過(guò)變壓器T1的初級(jí)線圈N1，變壓器將能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)起來(lái)，由于初、次級(jí)圈相位不同，所以當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，次級(jí)線圈N2中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)Q1截止時(shí)（TOFF），消失 的磁場(chǎng)使初、次級(jí)線圈中電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管VD導(dǎo)通，電流通過(guò)VD流向負(fù)載，變壓器的能量釋放，提供負(fù)載電壓、電流?？刂破髡伎毡葹椋? 其中，VF為二極管正向壓降；VSAT為Q1飽和電壓降；Vo為輸出電壓；VIN為輸入電壓。 電流臨界連續(xù)時(shí)，初級(jí)繞組電感量為： 其中，fOSC為開(kāi)關(guān)頻率；Pomin為輕負(fù)載時(shí)輸出功率；η為轉(zhuǎn)換效率；VINmin為最小輸入電壓；Dmax為最大占空比。 3 設(shè)計(jì)方案 3.1 回掃式控制器選擇 National Semiconductor公司最新推出的LM2588系列控制器旨在實(shí)現(xiàn)一種能夠滿足多路供電電壓輸出而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的高集成度電源的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者使用它能很快地開(kāi)發(fā)出小型、低成本、多路供電的電源系統(tǒng)。LM2588采用7腳TO-220封裝，主要包括100kHz振蕩器、2.9V穩(wěn)壓電路、誤差放大器、5A/65V的NPN開(kāi)關(guān)管以及過(guò)流、過(guò)熱、低電壓鎖定，還包括軟啟動(dòng)、邏輯關(guān)斷、邏輯控制等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3.2 高頻脈沖變壓器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的某機(jī)載計(jì)算機(jī)DC/DC開(kāi)關(guān)電源如圖3所示。U1為控制器LM2588-5.0。脈沖變壓器T1共有五個(gè)繞組：N1為初級(jí)繞組，N2、N3、N4、N5為次級(jí)繞組，分別對(duì)應(yīng)輸出+12V@0.1A、-12V@0.2A、-32.5V@0.05A以及+5V@4A，且N2、N3圈數(shù)相同。 由于回掃式控制器具有連續(xù)型和不連續(xù)型控制的特點(diǎn)，所以設(shè)法使其穩(wěn)定就顯得很重要。高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)是整個(gè)回掃式控制電路的關(guān)鍵，電源的性能和優(yōu)劣在很大程度上取決于變壓器的設(shè)計(jì)。這里選擇TOKIN公司FEER28L磁芯，磁芯的有效截面積為84.7mm2，有效磁路長(zhǎng)度為78.3mm。彩 鐵氧體B25材料，常溫時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=5100Gs。 3.2.1 確定變壓器匝比α α=N2/N1=[（1-Dmax）/Dmax]%26;#183;[(Vo1+VF)/Vinmin] (3) 由Vinmin=24V、Vo1=5V、Dmax=0.46得出α≈0.3。 3.2.2 初級(jí)繞組電感量 最大輸出功率為： Po=(Vo1+VF)%26;#183;Io1+(Vo2+VF)%26;#183;Io2+(Vo3+VF)%26;#183;Io3+(Vo4+VF)%26;#183;Io4 =26.15(W) (4) 假設(shè)效率η按照85%計(jì)算，則輸入功率為： P1=Po/η=34.8(W) (5) 設(shè)PWM控制最大占空比Dmax=42%,如果初級(jí)繞組的電感量設(shè)計(jì)得大，則流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管和輸出濾波電容的電流峰值小，但由于電流上升斜率小，電路抗干擾能力差且功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通電流大；電感量小時(shí)，電流脈動(dòng)大，沖擊電流大。因此設(shè)計(jì)電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài)，輕負(fù)載時(shí)取額定功率的一半，由（2）式可知： 初級(jí)繞組的峰值電流為： Ip=(2%26;#183;Po)/ [η%26;#183;(VI%26;#183;D)]=(2%26;#215;26.15)/(0.85%26;#215;27%26;#215;0.46)=4.95(A)<5(A) (5) 3.2.3 初、次級(jí)繞組匝數(shù) 初級(jí)繞組的電感的儲(chǔ)能為： 其中，Bs為磁感應(yīng)度，Sc為脈沖變壓器產(chǎn)芯有效截面積；Bs=10 4GS,Sc=0.847平方厘米。則由（6）式可知： 次級(jí)繞組匝數(shù)N2、N3為： N2=N3=[N1(Vo2+VF)(1-D)]/VIN%26;#183;D =[10%26;#215;(12+0.5)%26;#215;0.54]/(27%26;#215;0.46)≈6 同理可得：N4≈33，N5≈3。 3.2.4 磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍 初級(jí)輸入電流平均值為： IIN（av）=Po/(η%26;#183;VIN%26;#183;D) （7-1） 初級(jí)電流上升值ΔI為： ΔI=VIN%26;#183;TON/L （7-2） 初級(jí)電流IL工作范圍為： IIN（av）-ΔI/2≤IL≤IIN(av)+ΔI/2 （7-3） 由（7-1）、（7-2）以及（7-3）三式可知，當(dāng)VIN在24V～32V之間變化時(shí)，IL的工作范圍在1.62A～4.62A之間變化。 由：B=L%26;#183;I/（N1%26;#183;Sc） （7-4） 得：B的工作范圍為620Gs～1800Gs 最高磁感應(yīng)強(qiáng)度大約是Bm的三分之一，設(shè)計(jì)是合理的。 3.3 開(kāi)關(guān)電源電路特性分析 3.3.1 電流模式穩(wěn)定性 當(dāng)占空比大于50%時(shí)，所有電流模式控制器不可避免地要受到振蕩諧波的影響而導(dǎo)致不穩(wěn)定。為了消除振蕩諧波，在回掃式控制器應(yīng)用電路中，必須把被級(jí)線圈的電感量設(shè)計(jì)為大于最大值。其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下（單位為μH）: L≥{2.92[(VINmin-VSAT)%26;#183;(2Dmax-1)]/(1-Dmax) (8) 3.3.2 限流、短路保護(hù) 如果電感峰值電流大于限流值，控制器內(nèi)部集成的限流比較器將觸發(fā)邏輯控制電路，關(guān)斷NPN開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)輸出，起到很好的限流保護(hù)作用。 如果將輸出端直接短路，由于使用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的變壓器，當(dāng)輸出電壓降至正常值的80%時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率將降至25kHz。更低的開(kāi)關(guān)頻率將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間更長(zhǎng)，變壓器完全可以在開(kāi)關(guān)管重新導(dǎo)通之間釋放掉儲(chǔ)存的全部能量。因此，在開(kāi)關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí)，變壓器中為零電流，在這種情況下，開(kāi)關(guān)峰值電流限制電路將限制初級(jí)電感峰值電流，很好地起到了保護(hù)控制器的作用。在短路實(shí)驗(yàn)中，控制器沒(méi)有明顯的過(guò)熱現(xiàn)象，恢復(fù)至正常情況時(shí)，電路仍可正常工作。 3.3.3 邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整與同步 通過(guò)“邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整”引腳1可進(jìn)行邏輯關(guān)斷控制。當(dāng)3V以上的邏輯電平被加在引腳1上時(shí)，控制器便進(jìn)入邏輯關(guān)斷狀態(tài)。因此，通過(guò)此引腳，可搭建簡(jiǎn)單的外圍電路，構(gòu)成過(guò)電壓保護(hù)電路等。 開(kāi)關(guān)頻率可以通過(guò)外接電阻RSET在100kHz～200kHz之間調(diào)整，這個(gè)特點(diǎn)可以讓使用者根據(jù)工作頻率優(yōu)化磁存儲(chǔ)以及電容器的尺寸、型號(hào)等。表2為不同的電阻值對(duì)應(yīng)的常用開(kāi)關(guān)頻率。表2 電阻值對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率 RSET/k開(kāi)關(guān)頻率/kHz懸空100200125471503317522200控制“頻率同步”引腳6，可使控制器與系統(tǒng)時(shí)鐘或其它開(kāi)關(guān)模式的振蕩器信號(hào)同步。這個(gè)特點(diǎn)使得可以并聯(lián)使用多個(gè)設(shè)備，使其工作在同一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率下，極大地消除了相關(guān)頻率噪聲干擾，使開(kāi)關(guān)諧波得到控制和協(xié)調(diào)；同時(shí)獲得更多的輸出電壓值，擴(kuò)大控制器的應(yīng)用范圍。 3.3.4 損耗功率、熱關(guān)斷 損耗功率PD主要取決于V1、多路輸出最大負(fù)載電流之和∑ILOAD以及主功率線圈比N等，其近似計(jì)算公式如下： 控制器的結(jié)溫決定于環(huán)境溫度TA、封裝熱阻θJA（7腳TO-220封裝典型值為35～45℃/W）以及損耗功率PD等，可近似計(jì)算如下： TJ=PD%26;#215;θJA+TA （10） 在絕大多數(shù)應(yīng)用中，控制器并不需要使用散熱片來(lái)降低溫度，但當(dāng)控制器溫度超過(guò)其最大結(jié)溫時(shí)(典型值為150℃)，控制器便進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，迫使控制器停止工作，直到冷卻至允許開(kāi)啟的溫度時(shí)才重新工作。也可加裝散熱片來(lái)提高控制器結(jié)溫，使控制器正常工作。 4 應(yīng)用效果 為了給控制器提供穩(wěn)定、連續(xù)的供電電壓，將大于100μF的存儲(chǔ)電容接至供電輸入端。將一個(gè)1.0μF的陶瓷旁路電容接在地與輸入端之間，且盡可能靠近控制器，或連成RC低通濾波器，能有效地消除由輸入電流脈沖產(chǎn)生的噪聲干擾。為了獲得更好的濾波效果，也可用參數(shù)為10μH/200mA的小電感代替電阻。 輸出電容則選擇大容量、低等效串聯(lián)電阻（<0.1Ω）的電容，可大大提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，降低輸出電壓紋波。 為滿足電磁兼容性要求，可在電壓輸入端采用TVS瞬變電壓吸收二極管（1.5KE43A）和小型的抗干擾濾波器。 電源主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓27V（18V～36V）。開(kāi)關(guān)頻率100kHz。輸出電壓分A、B、C、D四級(jí)：A組+5V@4A，峰-峰值電壓紋波小于40mV；B組+12V@0.2A，峰-峰值電壓紋波小于50mV；C組-12V@0.2A，峰-峰值電壓紋波小于50mV；D組-32.5@0.05A，峰-峰值電壓紋波小于200mV，效率（滿載）為87.1%。 該電源部件中的所有元器件組裝在362mm%26;#215;160mm的板面里，元器件最大高度低于15mm，重量?jī)H為0.21kg。電源經(jīng)過(guò)各項(xiàng)性能測(cè)試和高低溫實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)與計(jì)算機(jī)聯(lián)試，證明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 回掃式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)無(wú)疑是目前比較理想的多路供電電源電路結(jié)構(gòu)。其峰值電感電流可檢測(cè)、輸出電壓擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，極大地提高了控制電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力，便于供電電源的設(shè)計(jì)。 本文所介紹的開(kāi)關(guān)電源電路可廣泛應(yīng)用于便攜式儀器、通信設(shè)備、航空機(jī)載電子設(shè)備等需要%26;#177;5V、%26;#177;12V、%26;#177;24V等多路電壓輸出，功率在幾十瓦左右的直流供電設(shè)備中，也可以作為模塊化電源設(shè)計(jì)電路，具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。