一種應(yīng)用于遙感成像系統(tǒng)電源板的設(shè)計與仿真

李聞先　尤元　劉棟斌

摘 要： 航天遙感任務(wù)中，為了得到較高的信噪比及系統(tǒng)穩(wěn)定性，對二次電源供電系統(tǒng)具有較高的性能要求。DC?DC模塊具有高可靠性、高集成度、高效率等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天工程項目。然而，DC?DC模塊在轉(zhuǎn)換過程中，其固有噪聲和外界引入噪聲會對整個成像系統(tǒng)的EMI產(chǎn)生很大影響。綜合EMI/EMC考慮，系統(tǒng)采用母線電源經(jīng)濾波器進入電源系統(tǒng)，輸出單元與負(fù)載間引入濾波電路減小輸出紋波。最后，針對整個電源板的直流壓降及電流密度分布進行仿真分析，確保了工程應(yīng)用中的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞： 共模濾波； DC?DC變換器； 直流仿真； 電磁兼容

中圖分類號： TN86?34； TP303+.3 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0107?03

Design and simulation of power panel applied in remote sensing imaging system

LI Wenxian1， YOU Yuan2， LIU Dongbin1

（1. Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China；

2. Changchun University of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： To obtain higher SNR and better system stability in space remote sensing missions， the higher performance requirements are put forward for secondary power supply system. DC?DC converter has the advantages of high reliability， high integration and high efficiency， and is widely used in aerospace engineering′s projects. In conversion process of DC?DC module， the inherent noise and ambient noise have significant impact on EMI of entire imaging system. Considering EMI/EMC comprehensively， the busbar power supply adopted by the system is entered into power supply system through the filter. Filtering circuit between output unit and the load is introduced to eliminate output ripple. DC voltage?drop and current density distribution of the entire power panel are proceeded with simulation and analysis. The stability and reliability in engineering applications are ensured.

Keywords： common mode filtering； DC?DC convertor； DC simulation； EMC

0 引 言

現(xiàn)代航天遙感器是集光學(xué)、光譜學(xué)、精密機械、現(xiàn)代電子技術(shù)及計算機技術(shù)于一體的先進設(shè)備，主要由光學(xué)系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)及精密機械結(jié)構(gòu)相互配合工作。其中電子學(xué)系統(tǒng)的電源系統(tǒng)作為整個控制核心的供電單元，其可靠性、穩(wěn)定性與供電質(zhì)量的高低直接影響了載荷系統(tǒng)運行的可靠性及性能指標(biāo)的實現(xiàn)，甚至決定了整個航天任務(wù)的成敗[1]。

航天器是一個復(fù)雜的工作系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)單元之間的相互影響使得母線電源具有一定的不穩(wěn)定性，從而引入浪涌干擾。DC?DC模塊內(nèi)部高頻開關(guān)管的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)尖峰電流產(chǎn)生的諧波等干擾源的存在，會產(chǎn)生嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，對二次電源本身及其周圍電子設(shè)備造成威脅[2]，因此，設(shè)計高可靠性、高性能的航天器二次電源具有十分重要的意義。

本文依據(jù)項目任務(wù)書的需求，在輸入端引入EMI濾波器消除母線電源干擾，同時避免二次電源產(chǎn)生的噪聲干擾母線電源，從而降低整個航天器的可靠性。同時在輸出端加入輸出濾波電路，減小輸出紋波對整個系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。最后采用Cadence軟件進行直流仿真，對整個電源系統(tǒng)的特性進行分析。

1 電路設(shè)計

1.1 二次電源原理

航天器的二次電源供配電設(shè)計通常有兩種形式，即集中式供電與分布式供電。兩種不同的供電方式對整個供電系統(tǒng)的可靠性有著不同的影響，因此應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)具體要求合理選擇供電方式。

集中式供電的優(yōu)點是DC?DC變換器數(shù)量少，簡化了一次電源到DC?DC模塊的重復(fù)布線，同時可以有效控制整個系統(tǒng)的重量和體積；分布式供電是與集中式供電相對而言的，是指DC?DC變換器以分散的方式分布在負(fù)載周圍，其優(yōu)點是傳輸損耗小、動態(tài)響應(yīng)特性高，同時它是解決低電壓大電流問題必須且惟一的技術(shù)途徑[2]。同時，分布供電系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)項目任務(wù)要求，成像系統(tǒng)應(yīng)具有高集成度、低噪聲的特點，而本電源系統(tǒng)采用集中分布式供電設(shè)計，即整個成像系統(tǒng)采用DC?DC+LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）的供電方式為系統(tǒng)供電，DC?DC模塊為集中供電方式，LDO分布于負(fù)載周圍，此方法兼具集成與高可靠性的優(yōu)點。整個成像電路系統(tǒng)的電源分布原理框圖如圖1所示。

圖1 CCD成像電路電源分布系統(tǒng)框圖

1.2 輸入濾波器設(shè)計

一次電源受系統(tǒng)不穩(wěn)定的影響有時會產(chǎn)生紋波噪聲，噪聲進入二次電源經(jīng)DC?DC會影響二次電源輸出質(zhì)量，同時DC?DC模塊產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲通過母線干擾一次電源也是不希望的，因此設(shè)計中在母線與DC?DC模塊輸入端應(yīng)加入EMI濾波器。

根據(jù)任務(wù)要求，依據(jù)可靠性和降額設(shè)計的原則，本文選用VPT公司的COT系列EMI濾波器VPTF3?28降低一次電源與二次電源間的相互干擾。該濾波器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。該濾波器的技術(shù)指標(biāo)滿足MIL?STD?461C CE03/CE102標(biāo)準(zhǔn)。

表1 EMI濾波器主要技術(shù)參數(shù)

[參數(shù)＼&典型值＼&輸入電壓＼&28 V＼&瞬態(tài)電壓（1S）＼&≤80 V＼&最大工作電流＼&3 A＼&最大輸入功率＼&75 W＼&最大耗散功率＼&2.3 W＼&MTBF＼&1.67 MHrs＼&]

1.3 輸出濾波電路設(shè)計

DC?DC模塊工作原理是將直流變?yōu)榻涣?，再將交流轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓，轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)管的高速切換、高頻交流的輻射效應(yīng)，VPT公司的DC?DC模塊內(nèi)部集成了輸出濾波模塊，其輸出電壓紋波一般為30 mVP_P，測試條件為全負(fù)載，頻率為20 Hz～20 MHz。

輸出的紋波主要包含共模噪聲和差模噪聲，其中共模噪聲是由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)矩形波電壓作用于功率器件時，開關(guān)電源的輸出端會產(chǎn)生共模紋波噪聲。在輸出端加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲，同時，共模扼流圈的漏感與電容組成的濾波器會對差模噪聲產(chǎn)生抑制作用。

輸出濾波器的等效電路圖如圖2所示，其中[L]為共模扼流圈，其工作原理為當(dāng)共模電流流過繞在同一磁芯上，匝數(shù)、纏繞方向相同的繞組時，產(chǎn)生兩個大小相等方向相反的磁通，然而直流電流可以無損的通過扼流圈。因此共模扼流圈的設(shè)計是濾波電路的核心設(shè)計。

圖2 輸出濾波電路原理圖

航空航天工程上一般采用環(huán)形結(jié)構(gòu)扼流圈，這種結(jié)構(gòu)的磁芯有效磁導(dǎo)率要高于其他結(jié)構(gòu)的磁芯，可防止磁芯飽和降低濾波效果。而磁芯一般選用錳鋅材料的鐵氧體，該材料在低頻時磁導(dǎo)率非常大，所以非常適合抑制10 kHz～50 MHz范圍內(nèi)的電磁干擾。本設(shè)計中選用的開關(guān)電源的基頻為500 kHz，噪聲主要集中在基頻和其高次諧波上。扼流圈的具體設(shè)計步驟如圖3所示。

圖3 共模扼流圈設(shè)計流程圖

2 電源直流仿真分析

二次電源板具有功率密度高、電壓種類多等特點，同時存在PCB布線時連接器把銅箔分割得比較細(xì)，某一過孔電流過大等風(fēng)險。

PowerDC是一款業(yè)界領(lǐng)先的直流壓降和電熱混合仿真工具，其可以完成低壓大電流的PCB和封裝產(chǎn)品全面的直流分析，同時集成熱分析功能，可實現(xiàn)電熱混合仿真。為確保器件端到端電壓降裕量、確保二次電源工作的穩(wěn)定性與可靠性，本文采用Cadence PowerDC軟件對二次電源板進行了直流壓降和電流密度仿真分析，可以快速檢測定位電流密度超標(biāo)或直流壓降過多等風(fēng)險。

直流壓降仿真結(jié)果如表2所示，直流壓降均滿足小于1%的指標(biāo)。

表2 直流壓降仿真結(jié)果

[模塊輸出電壓 /V＼&實際電壓 /V＼&額定電流 /A＼&18＼&17.983 4＼&0.4＼&15＼&14.985 8＼&0.8＼&7＼&6.988 1＼&2.4＼&4.2＼&4.196 4＼&0.8＼&3＼&2.993 5＼&0.8＼&-15＼&-14.993 5＼&0.1＼&]

電流通過狹窄區(qū)域會產(chǎn)生較大電流密度從而導(dǎo)致局部PCB板溫度升高，電流密度分布仿真結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為電流密度矢量分布圖，從圖中可以清晰地了解二次電源板的電流走向與平面、過孔電流熱點，結(jié)果顯示電流密度最高點出現(xiàn)在扼流圈7 V電壓輸出PIN腳處，大小為59.56 A/mm2。圖4（b）為頭部連接器局部平面電流密度分析結(jié)果，由于連接器引腳使銅箔被分割，此處為平面電流熱點，最大值為49.84 A/mm2。

圖4 電流密度分布圖

PCB布線功耗分析結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明電源板走線直流功耗可忽略不計，同時對電流熱點處的功耗分析結(jié)果為[Pmax=231.65 μW，]滿足散熱要求。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套應(yīng)用于TDI成像系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，針對DC?DC模塊的工作原理與內(nèi)部干擾分析，綜合設(shè)計了輸入、輸出濾波電路，提高了電源的抗干擾能力。

表3 PCB布線功耗分析結(jié)果

[PCB層＼&功率損耗 /mW＼&TOP＼&0.145＼&Power＼&61＼&GND03＼&30.95＼&Bottom＼&0＼&過孔功耗＼&0.210＼&總功耗＼&92.11＼&]

通過Cadence PowerDC軟件對電源PCB進行了直流仿真，通過直流壓降分析、電流密度分布分析及布線功耗分析，確保了電源PCB設(shè)計的功能性與可靠性。該設(shè)計方案在其他工程應(yīng)用設(shè)計中具有一定的借鑒意義。

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