空間有效載荷二次電源可靠性設(shè)計

王詩斌，于喜河，蘇建

(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部，北京 100094)

空間有效載荷二次電源可靠性設(shè)計

王詩斌，于喜河，蘇建

(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部，北京 100094)

為了提高二次電源可靠性設(shè)計，結(jié)合某型號空間有效載荷配電器的研制，就其二次電源的可靠性設(shè)計展開討論，將多種可靠性措施例如：一次電源輸入設(shè)計、軟啟動設(shè)計、輸入濾波設(shè)計、DC/DC模塊選型、熱設(shè)計、降額設(shè)計、電磁兼容(EMC)設(shè)計和PCB設(shè)計等結(jié)合起來，應(yīng)用在實際工程中。采取上述可靠性措施后，浪涌電流減少為原來的1/10，二次電源穩(wěn)定性好，可靠性高，在工程上具有較高的實用價值。

有效載荷；可靠性；二次電源

某空間任務(wù)有效載荷配電器是專門為空間有效載荷配電的設(shè)備，由載荷一次電源配電模塊、載荷二次電源配電模塊等電子學(xué)功能模塊組成。其中載荷二次電源配電功能模塊是電子學(xué)功能模塊中最重要的一環(huán)，其主要功能是將平臺提供的直流+100 V母線經(jīng)有效載荷配電器的二次電源功能模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?8 V，然后向各個載荷供電。由于航天供電系統(tǒng)工作狀態(tài)較復(fù)雜及各系統(tǒng)之間的相互影響，+100 V母線具有不穩(wěn)定性，會引入一定的干擾；而有效載荷配電器的二次電源功能模塊在直流變換過程中也容易噪聲干擾，必須在二次電源設(shè)計中采取適當?shù)目煽啃源胧駝t產(chǎn)生的干擾對二次電源本身及周圍其它電子設(shè)備的正常工作都將造成威脅[1]。因此，展開對有效載荷二次電源可靠性設(shè)計的討論具有十分重要的意義。

1 二次電源設(shè)計

1.1 二次電源設(shè)計考慮因素

空間有效載荷需要的二次電源是＋28 V，平臺提供的母線電源為直流+100 V。設(shè)計要求在滿足任務(wù)需求的前提下，盡量采用成熟技術(shù)，保證高可靠性。

選擇模塊化的DC/DC變換器構(gòu)成二次電源具有明顯的優(yōu)點：(1)DC/DC電源模塊是利用先進的制造工藝構(gòu)成的一個整體的、結(jié)構(gòu)緊湊的、體積小的高質(zhì)量穩(wěn)壓電源，使用簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時具有擴容方便、可靠性高、維修性好等優(yōu)點；(2)合理開發(fā)DC模塊的反饋端、調(diào)整端、禁止端和同步端等引腳功能,可以滿足某些載荷的特別設(shè)計需求；(3)一般的DC/DC模塊都具有隔離保護功能，使負載和一次電源母線隔離，當負載出現(xiàn)過載和短路的時候，DC/DC模塊實施過載和短路的保護功能；(4)DC/DC模塊具有二次穩(wěn)壓功能。當一次母線電壓發(fā)生較大變化時，可以將一次電壓調(diào)整到需要電壓的穩(wěn)定值。

1.2 二次電源電路設(shè)計

根據(jù)以上分析，針對載荷的實際情況，二次電源設(shè)計采用DC/DC模塊的方式設(shè)計。本設(shè)計采用IR公司的AFL12028S DC/DC模塊設(shè)計二次電源，主要電路包括一次電源輸入電路、軟啟動電路、濾波器電路、DC/DC模塊電路等。為了提高可靠性，二次電源電路設(shè)計采用熱備。其原理框圖如圖1所示。

圖1 二次電源的電路設(shè)計框圖

2 二次電源的可靠性設(shè)計

2.1 一次電源輸入可靠性設(shè)計

輸入電路一般由熔斷器和電阻串聯(lián)組成。熔斷器的作用是提供安全保護。一般應(yīng)串入二次電源的輸入端。熔斷器的規(guī)格一般選取1.5～2倍的額定電流，如果模塊工作在一個相當寬的輸入電壓范圍，則熔斷器應(yīng)選擇2倍的額定電流。

一次電源輸入電路設(shè)計如下圖所示：熔斷器采用兩個具有相同額定電流的熔斷器并聯(lián)使用，其中一個支路上串聯(lián)一個限流電阻，限流電阻的阻值一般大于熔斷器FUSE冷態(tài)電阻阻值(RF)的20倍，連接方法如圖2所示。

圖2 一次電源輸入可靠性設(shè)計

2.2 軟啟動電路可靠性設(shè)計

在電源上電瞬間，會有很大的沖擊電流，稱為浪涌電流。浪涌電流會給電源系統(tǒng)帶來極大的不利影響，各種電源變換模塊和濾波器模塊等都有一定的容量限制，當沖擊電流超出模塊額定容量較多時，就會使電源系統(tǒng)不能正常工作，因此必須采取措施降低浪涌電流的幅度。為了抑制一次電源加電時產(chǎn)生的浪涌電流，可采用以下幾種方法：(1)減小一次電源側(cè)的濾波電容；(2)對功耗較小的負載，可在一次電源電路中串聯(lián)電阻，需要注意串聯(lián)電阻的功率降額以及壓降對負載的影響；(3)在一次電源電路串聯(lián)電感，如圖3(需注意，加續(xù)流二極管是為了防止斷電時電感產(chǎn)生反向感應(yīng)高電壓)；(4)采取軟啟動電路。

圖3 串聯(lián)電感抑制浪涌電流設(shè)計

軟啟動電路的特點是抑制效果好，缺點是器件的選擇上需要根據(jù)負載的情況實驗確定。特別是功率場效應(yīng)管的選擇及場效應(yīng)管與分壓電阻、電容大小的匹配上，需要經(jīng)過計算和波形測試確定一個相對的最優(yōu)值。

為了提高電路的可靠性，本電路設(shè)計采用軟啟動電路，電源模塊前的軟啟動電路采用了獨立并聯(lián)的方式，以確保每個電源模塊供電的可靠性。軟啟動電路見圖4。

圖4 軟啟動電路可靠性設(shè)計

二次電源系統(tǒng)采用軟啟動電路后，浪涌電流由36.8 A變?yōu)?.42 A，抑制效果非常好。采用軟啟動電路前后測試浪涌電流見圖5和圖6。

2.3 DC/DC模塊可靠性設(shè)計

所有DC/DC模塊都有由電感和電容組成的LC輸入和輸出濾波網(wǎng)絡(luò)，這些LC器件在接入正常工作的帶電系統(tǒng)時，都會因瞬時充放電而對電源產(chǎn)生影響。因此，需要綜合考慮DC/DC模塊的可靠性設(shè)計。

DC/DC模塊一般先把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為直流，轉(zhuǎn)換過程中容易形成各種噪聲，在輸入端表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電源的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由電源產(chǎn)生，并向電網(wǎng)反饋的干擾；同時對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。

在本設(shè)計中，根據(jù)二次電源的需求，依據(jù)可靠性與降額設(shè)計的原則，在+100 V輸入濾波器選用了IR公司的AME270461X濾波器，這種濾波器電路專門用于抑制線路噪聲對DC/DC模塊性能的干擾，提供EMI濾波和瞬態(tài)噪聲抑制，降低DC/DC模塊輸入線路反射紋波電流，同時阻止二次電源向輸入電源反饋的噪聲。

圖5 未采取任何措施測試浪涌電流

圖6 采用軟啟動電路測試浪涌電流

2.4 其它可靠性設(shè)計措施

2.4.1 元器件選用

二次電源設(shè)計所選用的元器件盡量選用可靠性高的元器件，并進行二次篩選實驗。

2.4.2 三防設(shè)計

三防設(shè)計指防潮設(shè)計、防鹽霧設(shè)計和防霉菌設(shè)計，通過對印制板及組件表面涂覆專用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。

2.4.3 熱設(shè)計

熱設(shè)計是利用熱傳遞特性，通過采取散熱措施，控制電子設(shè)備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過降額后規(guī)定的最高允許工作溫度。在空間有效載荷二次電源設(shè)計中，采取的熱設(shè)計措施如下：(1)首先選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目；(2)確定主要發(fā)熱單元和傳熱途徑，散熱的主要方式以熱傳導(dǎo)為主，熱輻射為輔原則，即將大功耗器件DC/DC模塊安裝到機箱壁，并將機箱和DC/DC模塊之間涂導(dǎo)熱硅膠，以增加傳導(dǎo)熱交換，將DC/DC模塊熱量傳導(dǎo)和輻射到機箱壁；(3)有發(fā)熱器件的PCB板表面覆銅增加導(dǎo)熱，或者采用導(dǎo)熱硅橡膠片和銅導(dǎo)熱片的散熱措施，有效地將熱量導(dǎo)向印制板和邊框，并加大加粗電源線和地線印制線的寬度，提高電源效率和增加抗干擾能力；(4)機箱外部(機箱底部除外)均作黑色陽極化處理，加強了機箱向外的輻射熱量。

2.4.4 降額設(shè)計

參照GJB/Z35《元器件降額準則》，進行降額設(shè)計。

2.4.5 抗輻射設(shè)計

航天器在軌運行期間，內(nèi)部元件不斷受到空間環(huán)境中高能帶電粒子的轟擊，能量逐漸累積到一定程度將產(chǎn)生輻照總劑量損傷。為了給安裝在其內(nèi)部的組件和電子元器件提供一個良好的、能夠抵抗外空間惡劣條件的內(nèi)部環(huán)境，避免因輻射導(dǎo)致性能失效，確保在軌運行期間穩(wěn)定、可靠、長壽命工作，必須對敏感器件進行抗輻射分析和設(shè)計。一般應(yīng)根據(jù)軌道高低和使用部位確定抗輻射總劑量要求，再根據(jù)抗輻射總劑量要求，進行抗輻射設(shè)計，航天器的抗輻射設(shè)計措施主要從以下幾個方面考慮[2]：采用耐輻射的電子元器件，考慮輻射余量設(shè)計；進行抗輻射加固措施，采用整機加固或局部加固措施進行防護設(shè)計；單粒子效應(yīng)防護盡量采用軟件的方法。

2.4.6 EMC設(shè)計

空間有效載荷二次電源系統(tǒng)產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計要注意以下幾個方面：控制各板加工公差，確保各板搭接位置能夠良好接觸；各板內(nèi)表面進行導(dǎo)電陽極化處理，減小機箱相鄰面間接觸電阻；產(chǎn)品內(nèi)部連接以及產(chǎn)品與外部載荷連接，都使用帶屏蔽的線纜；使用銅箔膠帶對各連接器做密封處理，并與連接器、電纜的屏蔽層連接等。

2.4.7 PCB設(shè)計

(1)地線回路規(guī)則

環(huán)路最小規(guī)則，即信號線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積要盡可能小，環(huán)面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。

(2)串擾控制

串擾(CrossTalk)是指PCB上不同網(wǎng)絡(luò)之間因較長的平行布線引起的相互干擾，主要是由于平行線間的分布電容和分布電感的作用。克服串擾的主要措施是：加大平行布線的間距；在平行線間插入接地的隔離線，減小布線層與地平面的距離。

(3)屏蔽保護

對應(yīng)地線回路規(guī)則，實際上也是為了盡量減小信號的回路面積；對于高頻信號，應(yīng)該考慮采用銅軸電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將所布的線上下左右用地線隔離，而且還要考慮好如何有效地讓屏蔽地與實際地平面有效結(jié)合。

(4)走線的方向控制規(guī)則

走線的方向控制規(guī)則即相鄰層的走線方向成正交結(jié)構(gòu)。避免將不同的信號線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間串擾；當由于板結(jié)構(gòu)限制(如某些背板)難以避免出現(xiàn)該情況，特別是信號速率較高時，應(yīng)考慮用地平面隔離各布線層，用地信號線隔離各信號線。

(5)將功能上有關(guān)聯(lián)的器件放在一起，使原器件之間的連線做到最短，以增強抗干擾的能力。

(6)在布局上要把模擬信號部分、數(shù)字信號部分和噪聲源部分(繼電器等)的地分開，最好在不同的電路板上完成。

3 實驗結(jié)果

本產(chǎn)品在進行了上述電磁兼容設(shè)計后，在標準EMC實驗室進行10 kHz～18 GHz電場輻射發(fā)射(RE102)和10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射控制(CE102)等測試，測試結(jié)果如圖7、圖8所示。實測曲線均在極限曲線下方，滿足GJB 151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的要求[3-4]。

圖7 電場輻射發(fā)射(RE102)

圖8 電源線傳導(dǎo)發(fā)射控制測試(CE102)

4 結(jié)束語

本文簡要闡述了空間有效載荷二次電源系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素和設(shè)計方法，針對二次電源在航天器中的應(yīng)用非常廣泛，結(jié)合在工程中的實際應(yīng)用，給出了二次電源可靠性設(shè)計方法。通過對二次電源的電場輻射發(fā)射(RE102)和電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)等EMC實驗項目，滿足航天產(chǎn)品的EMC實驗要求。

文中設(shè)計的電源電路充分考慮了器件備份、母線電源的安全性、電磁干擾等因素，滿足航天產(chǎn)品的可靠性、效率、浪涌和紋波、電磁兼容性的要求，獲得了滿意的結(jié)果，文中所提供的可靠性設(shè)計方法，對于類似的設(shè)計提供了可供借鑒的范例。

[1]王小朋，于平，李東景.空間有效載荷二次電源抗干擾設(shè)計[J].信息與電子工程，2011，9(4):439-443.

[2]馬世俊，韓國經(jīng)，李文滋.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：宇航出版社，2001.

[3]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 151A-1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：科工委軍標出版發(fā)行部，1997.

[4]江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Design of secondary power reliability in space payload

WANG Shi-bin,YU Xi-he,SU Jian

In order to improve the design of reliability for secondary power on space payload,the design measures of the secondary power system combined with the research of a space payload distributor were discussed,including input design of primary power,soft start，input filter,DC module selection,thermal,deraing,electro magnetic compatibility(EMC)and printed circuit board(PCB)design.After taking this measures，the surge current was dropping to 1/10,and stability and reliablity of the secondary power were well.All the results of the experiment and actual application show that the reliability design is effective．

payload;reliability;secondary power

TM 642

A

1002-087 X(2014)02-0317-03

2013-06-19

王詩斌(1971—)，男，北京市人，碩士，高級工程師，主要研究方向為空間電源和配電。