機(jī)載加卸載設(shè)備電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立輝　張守鵬　張旭　白楊

摘要：為了滿(mǎn)足機(jī)載加卸載設(shè)備高效率、低成本、高可靠的供電要求，對(duì)電源各功能電路進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，為加卸載設(shè)備的供電問(wèn)題提供了一個(gè)比較好的解決方法。應(yīng)用結(jié)果表明，電源各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿(mǎn)足加卸載設(shè)備供電要求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)濾波；儲(chǔ)能；傳導(dǎo)干擾；輻射干擾；尖峰抑制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）10-0222-03

隨著各種工藝的發(fā)展、系統(tǒng)的工作頻率越來(lái)越高，機(jī)載電子設(shè)備單位面積PCB上的器件密度和功耗也越來(lái)越大，同時(shí)機(jī)載設(shè)備要求具有高可靠性、高安全性要求機(jī)載設(shè)備的電源電路設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)使性能降低超出規(guī)定要求的任何不正常和故障的工作狀態(tài)。除電起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池起動(dòng)輔助動(dòng)力裝置的狀態(tài)外，應(yīng)達(dá)到飛機(jī)所要求的全部系統(tǒng)功能。針對(duì)此問(wèn)題，本文就機(jī)載設(shè)備在充分考慮尖峰、浪涌、過(guò)壓、正常瞬變和非正常瞬變等外部條件下，提出一種滿(mǎn)足飛機(jī)供電特性的符合性、兼容性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，保證了機(jī)載設(shè)備供電的穩(wěn)定性和可靠性。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路實(shí)現(xiàn)

機(jī)載加卸載設(shè)備電源硬件電路主要由輸入濾波保護(hù)電路、隔離電壓變換電路、抗尖峰保護(hù)電路、抗過(guò)壓浪涌保護(hù)電路、輔助電源電路、抗供電中斷電路和儲(chǔ)能保持電路組成，設(shè)計(jì)電路原理框圖如圖1所示。

1.2 電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.2.1 輸入保護(hù)濾波電路

機(jī)載電源模塊的輸入端保護(hù)功能，是通過(guò)保險(xiǎn)絲來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在電路中選用5V輸入端保險(xiǎn)絲（FU1）。

5V的輸出電流為2A，0.8為保險(xiǎn)絲系數(shù)，0.85為保險(xiǎn)絲的溫度系數(shù)，輸入電壓28V的下限為18V，設(shè)定5V電源的效率為85%，計(jì)算見(jiàn)公式（1）：

IFU4=5V·2.2A/（0.85·18V·0.8·0.9）=1A……公式 （1）

電源模塊在輸入加電的瞬間會(huì)有啟動(dòng)浪涌電流，在選擇輸入保險(xiǎn)絲要留出相應(yīng)余量，因此，F(xiàn)U1可以選用3A的保險(xiǎn)絲。

機(jī)載電源模塊的輸入端濾波功能，是通過(guò)前段安裝濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在電路中選用具有防雷功能的濾波器MF1C3D-DCDL-2A。

1.2.2 抗尖峰保護(hù)電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在正常供電條件下，用電設(shè)備會(huì)經(jīng)受電網(wǎng)正常電壓尖峰沖擊。當(dāng)輸入尖峰脈沖（±600V 10us）后，電源模塊應(yīng)能夠正常工作?？辜夥迕}沖電路原理框圖如圖2所示。

抗尖峰保護(hù)電路選擇的瞬態(tài)抑制器型號(hào)為（G）SY6061A，其擊穿電壓為82V，瞬時(shí)功率可達(dá)1.5KW。

1.2.3 抗過(guò)壓浪涌電路

在非正常供電條件下，機(jī)載加卸載設(shè)備會(huì)經(jīng)受電網(wǎng)非正常電壓瞬變沖擊。當(dāng)輸入過(guò)壓浪涌后，用電設(shè)備應(yīng)不發(fā)生任何故障，電源模塊輸入過(guò)壓保護(hù)電路原理圖如圖3所示。

該部分電路的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)加入的輸入過(guò)壓保護(hù)電路來(lái)完成的。

在鉗位升壓電路的作用下，將輔助電源輸入電壓，升到36V，將36V作為鉗位參考電壓加到場(chǎng)效應(yīng)管的G極。當(dāng)正常28V輸入供電的時(shí)候，開(kāi)關(guān)功率管的G腳電壓為36V，該管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，28V輸入電壓順利加到給后端各功率轉(zhuǎn)換模塊供電；當(dāng)電源輸入端出現(xiàn)過(guò)壓浪涌時(shí)，開(kāi)關(guān)功率管G腳電壓仍穩(wěn)定在36V上，從而將其源極S腳電壓鉗位為32V，保護(hù)后端DC/DC變換電路不受損壞，使過(guò)壓浪涌得到抑制。

1.2.4 抗供電中斷電路

在輸入直流28V用電設(shè)備在其供電出現(xiàn)規(guī)定時(shí)間內(nèi)掉電時(shí)，用電設(shè)備應(yīng)保持原正常工作時(shí)的工作性能。此項(xiàng)功能是為了滿(mǎn)足DO-160G中16章供電中斷試驗(yàn)要求。

為了滿(mǎn)足輸入電壓在供電正常范圍內(nèi)任意點(diǎn)掉電，均滿(mǎn)足50ms掉電要求，并考慮到減小產(chǎn)品重量，在新電路中設(shè)計(jì)了升壓儲(chǔ)能電路，減小了電容器的容量、體積及重量。升壓儲(chǔ)能電路的原理框圖如圖4所示。

供電正常時(shí)，由供電電源通過(guò)二極管D1向掉電保持電路充電，同時(shí)，升壓電路產(chǎn)生的36V也向掉電保持電路充電，場(chǎng)效應(yīng)管D2關(guān)斷，電路處于只充電不放電狀態(tài)，當(dāng)供電電源低于18V時(shí)，供電電壓檢測(cè)控制電路產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管D2，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管D2的漏源級(jí)導(dǎo)通，掉電保持電路向后端電壓變換電路放電，以維持50ms掉電要求。

1.2.5 輔助電源電路

輔助電源是用于電源電路內(nèi)部芯片供電，輔助電源的原理圖如圖6所示。輔助電源是通過(guò)輸入電壓經(jīng)過(guò)線(xiàn)性變化轉(zhuǎn)化而來(lái)，與輸入電源共地，輸入電壓（28V_S）通過(guò)限流電阻R98與穩(wěn)壓管VE3相連接，給三極管柵極提供經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的+12V電壓，這樣可在場(chǎng)效應(yīng)管V19發(fā)射極可得到較為穩(wěn)定的+11V的電壓，再經(jīng)過(guò)電容C58，C59濾波，便可得到符合電源模塊內(nèi)部使用的輔助電源（VSTART），輸入從18V～32V變化時(shí)，輔助電源的變化范圍為10V～12V。

1.2.6 隔離電壓變換電路

為了節(jié)省機(jī)上的能源和空間，減輕重量，在電源設(shè)計(jì)時(shí)DC/DC電路我們選用開(kāi)關(guān)頻率較高、在零電流開(kāi)關(guān)（軟開(kāi)關(guān)）方式下工作的單路輸出電源模塊。該電源模塊以軟開(kāi)關(guān)方式工作，有很低的dv/dt、di/dt，有利于降低傳導(dǎo)噪聲和磁場(chǎng)輻射干擾，有利于EMC問(wèn)題的解決[1]。主電路中采用1個(gè)電源模塊實(shí)現(xiàn)從28V轉(zhuǎn)換為+5V的輸出。

主電路中采用一個(gè)28V DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)從28V轉(zhuǎn)換為5V的輸出，28V轉(zhuǎn)5VDC/DC變換器型號(hào)是DVTR2805SF，輸入電壓范圍15V～50V，效率大于72%，負(fù)載調(diào)整率為0.2%，技術(shù)指標(biāo)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。DC/DC轉(zhuǎn)換芯片LTM4600實(shí)現(xiàn)+5V電壓到+3.3V、+1V、+1.5V、+1.8V、+2.5V幾檔電壓的轉(zhuǎn)換。

1.3 電源熱設(shè)計(jì)

電源熱設(shè)計(jì)在該電路中也不能忽視。如果熱設(shè)計(jì)不好，有些功率器件上的溫升會(huì)很高，器件的使用壽命就會(huì)縮短，影響可靠性，另外發(fā)熱器件布局不當(dāng)，尤其是一些敏感的器件或電路受溫度的影響，將會(huì)影響電性能。

本電路的熱設(shè)計(jì)主要考慮了以下幾點(diǎn)：

a. 設(shè)計(jì)時(shí)盡量將發(fā)熱量大的器件安裝在冷板的邊沿地方，以減小熱阻；

b. 5V DC/DC電路的輸出電流達(dá)2.2A，因此在該部分電路EDA設(shè)計(jì)時(shí)，布線(xiàn)盡量多用粗線(xiàn)和填充，且填充應(yīng)盡量放在頂層和底層，以便散熱。

1.4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

機(jī)載電子設(shè)備的迅速發(fā)展，大大提高了飛機(jī)的性能。由于機(jī)載加卸載設(shè)備的增加，隨之產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）會(huì)使該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備或分系統(tǒng)失效或出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能降低或預(yù)期的任務(wù)不能完成。由于開(kāi)關(guān)電源具有高的dv/dt、di/dt，對(duì)外界產(chǎn)生強(qiáng)的傳導(dǎo)干擾和磁場(chǎng)幅射干擾，在電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電源線(xiàn)傳導(dǎo)干擾CE102和CS101、CS106的要求，將其干擾抑制在允許的范圍之內(nèi)。

1.4.1 減少傳導(dǎo)干擾的有效方法

傳導(dǎo)噪聲是指經(jīng)輸入電壓源及電源之間的交流電流，它包括共模噪聲和差模噪聲。輸入共模傳導(dǎo)噪聲是指存在于模塊正負(fù)輸入端之間的同方向，同相位的電流分量。該電流從DC/DC變換器流出，經(jīng)輸入電源線(xiàn)流入供電電源，然后又經(jīng)接地的模塊外殼或輸出線(xiàn)返回到變換器。該電流可能產(chǎn)生面積很大的磁通閉合環(huán)路。共模傳導(dǎo)噪聲與變換器的開(kāi)關(guān)元件電壓變化率dv/dt及輸入和輸出間等效電容有關(guān)。在正負(fù)輸入引線(xiàn)到模塊外殼之間接入“Y”級(jí)旁路電容C19，C20（4700pF）是降低共模電流的有效方法之一[2]，如圖7所示。

1.4.2 輻射噪聲

輻射噪聲可能是電場(chǎng)輻射噪聲，也可能是磁場(chǎng)輻射噪聲。磁場(chǎng)輻射噪聲是由高的電流變化率di/dt引起的。為了減少磁場(chǎng)輻射，應(yīng)盡可能地選擇諧振型電源模塊，因?yàn)樗碾娏鞑ㄐ螢檎也ǎɑ虬胝也ǎ?，具有低的di/dt。

1.4.3 去耦

合理地分布印制板上各種元件可以減弱輻射噪聲，小信號(hào)線(xiàn)要遠(yuǎn)離噪聲源，而且輸入、輸出線(xiàn)盡可能的遠(yuǎn)離。

1.4.4 屏蔽

在電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用低電阻的鋁金屬材料把整個(gè)電源屏蔽起來(lái)，以減少內(nèi)外電導(dǎo)線(xiàn)的影響和高頻電磁場(chǎng)的幅射。

1.4.5 EMI濾波器的正確安裝

電源濾波器能有效地抑制供電電網(wǎng)傳導(dǎo)到電源和計(jì)算機(jī)的干擾，并能抑制電源本身和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的EMI進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境和其它用電設(shè)備的雙重功能。除選擇性能良好的濾波器件外，濾波器的安裝顯得尤為重要。在安裝濾波器時(shí)最大的特點(diǎn)是借助設(shè)備的屏蔽，把EMI濾波器的輸入端和輸出端隔離開(kāi)來(lái)，并且把輸入和輸出端間可能存在的電磁耦合降至最低程度。將EMI濾波器安裝在機(jī)載加卸載設(shè)備的機(jī)箱前面板能有效地降低電源傳導(dǎo)干擾和幅射干擾。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)電源特性、電磁兼容試驗(yàn)對(duì)機(jī)載加卸載設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。電源特性試驗(yàn)項(xiàng)目包括：正常供電特性試驗(yàn)、非正常供電特性試驗(yàn)和電流沖擊試驗(yàn)；電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目包括：CE102、CS101、CS106、RE102和RS103。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)載加卸載設(shè)備能夠滿(mǎn)足在系統(tǒng)要求的電應(yīng)力和磁場(chǎng)作用下正常、可靠工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從機(jī)載設(shè)備電源要求出發(fā)，詳細(xì)介紹了加卸載設(shè)備電源電路的濾波、抗尖峰、扛過(guò)壓浪涌、抗供電中斷、儲(chǔ)能和電磁兼容等方面的詳細(xì)設(shè)計(jì)， 給出了機(jī)載加卸載設(shè)備電源的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求，現(xiàn)已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。此電源系統(tǒng)能夠較好滿(mǎn)足該加卸載設(shè)備的供電需求，并對(duì)其他機(jī)載設(shè)備電源設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 姚信安，胡世平，宋飛，等.高性能計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（4）.