機(jī)載高可靠性開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

機(jī)載高可靠性開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

Design of High－ reliability Switching Mode Power Supply for Use with Aeroplane

摘要：利用VICOR電源模塊器件為機(jī)載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)高可靠性穩(wěn)壓電源。

關(guān)鍵詞：機(jī)載計(jì)算機(jī)穩(wěn)壓電源抗惡劣環(huán)境熱設(shè)計(jì)電磁兼容性掉電保護(hù)可靠性

1引言

機(jī)載計(jì)算機(jī)是一種工作在惡劣環(huán)境下的計(jì)算機(jī)，它必須能夠在－55℃至＋60℃的寬溫域內(nèi)正常工作，并能經(jīng)受嚴(yán)酷的沖擊、振動(dòng)、高低溫循環(huán)、輸入電壓拉偏以及電磁兼容性等例行試驗(yàn)。因此，機(jī)載計(jì)算機(jī)同艦載、箭載計(jì)算機(jī)一樣，同屬抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)。

　　直流穩(wěn)壓電源是計(jì)算機(jī)的生命之泵，但是機(jī)上的供電電源(交流115V或直流28.5V)，一般不能直接提供給計(jì)算機(jī)的各部件使用，必須將供電電源進(jìn)行隔離并穩(wěn)壓后成為各種所需的直流電源才能供給各部件使用。

　　機(jī)載計(jì)算機(jī)是在惡劣的電磁環(huán)境下工作，因此必須具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，而飛機(jī)上供電網(wǎng)絡(luò)的各種干擾(特別是傳導(dǎo)干擾)首先進(jìn)入穩(wěn)壓電源，另外計(jì)算機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各種干擾也經(jīng)過(guò)電源再傳入供電網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。所以穩(wěn)壓電源必須能夠抑制來(lái)自兩個(gè)方向的電磁干擾，才能使計(jì)算機(jī)既能正常工作又不干擾其它電子設(shè)備。因此，要設(shè)計(jì)一臺(tái)抗惡劣環(huán)境的機(jī)載計(jì)算機(jī)，必須為之設(shè)計(jì)出高可靠性的穩(wěn)壓電源。

2高可靠性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性的穩(wěn)壓電源，必須在以下幾個(gè)方面做好工作。

2.1電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)計(jì)算機(jī)整機(jī)對(duì)電源總的技術(shù)要求(其中包括電源電壓種類，輸出電流，穩(wěn)定度和紋波電壓，掉電保護(hù)，過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，抗電磁干擾以及重量、尺寸等)，首先對(duì)電源進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)主要方面是：

　?。?）供電電源的選擇

　　機(jī)上可供選擇的供電電源有兩種，400Hz、115V交流電源和28.5V直流電源。兩種電源各有優(yōu)缺點(diǎn)，400Hz、115V電源波動(dòng)小、干擾小，但所需要的器件耐壓相對(duì)要高；而28.5V電源卻相反。根據(jù)實(shí)際情況可與主機(jī)廠協(xié)商確定。

　　（2）確定電源的系統(tǒng)方案

　　電源系統(tǒng)方案的確定在很大程度上決定了電源的性能和可靠性水平，其主要內(nèi)容有：

　　①選擇高可靠性的電源元器件；

　?、谠O(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的電路圖，并做好必要的試驗(yàn)；

　?、酆侠淼臒嵩O(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)(殼體設(shè)計(jì))；

　?、芷渌煽啃栽O(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。

2.2高可靠性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)原則

　?。?）選擇性能優(yōu)良、高可靠性的電源元器件

　　掌握盡量多的國(guó)內(nèi)外電源元器件信息，創(chuàng)造條件有針對(duì)性地對(duì)某些器件和電路進(jìn)行摸底試驗(yàn)，掌握第一手資料是設(shè)計(jì)高可靠性電源的先決條件。我們選用美國(guó)VICOR公司生產(chǎn)的VICOR電源模塊作為主要器件，用來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)載計(jì)算機(jī)高可靠性穩(wěn)壓電源。

　　VICOR電源模塊的主要特點(diǎn)是“零電流”開(kāi)關(guān)技術(shù)，工作頻率高達(dá)2MHz，高效率(80％～90％)，高功率密度(54～100W/立方英寸)，高可靠性（MTBF≥100萬(wàn)小時(shí))以及適應(yīng)輸入電壓變化范圍寬等。

　　(2)設(shè)計(jì)特殊要求的穩(wěn)壓電源

　　根據(jù)需要，整機(jī)可能提出某些有特殊要求的非標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電源。例如某火控機(jī)需要±10V精密電源，要求穩(wěn)定度≤0.1％，紋波電壓≤2mV，溫度系數(shù)≤0.1mV／℃。

　　為此我們?cè)O(shè)計(jì)了高性能的線性穩(wěn)壓電源在±15V的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次穩(wěn)壓得到精密的±10V穩(wěn)定電源。

　?。?）可靠性設(shè)計(jì)

　　電子技術(shù)的發(fā)展、電路的高度集成化，不但為計(jì)算機(jī)其他部件的設(shè)計(jì)，也為穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，省去了許多復(fù)雜的電路參數(shù)計(jì)算。穩(wěn)壓電路本身的集成化，使我們有更多的時(shí)間和精力去考慮外圍電路的設(shè)計(jì)以及整機(jī)的熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)和其他可靠性設(shè)計(jì)。

2.3具體設(shè)計(jì)計(jì)算

　　(1)輸入濾波電容的計(jì)算

　　AC115V供電的開(kāi)關(guān)電源，一般是直接將AC115V整流濾波成150V左右的直流，再進(jìn)行DC/DC變換。現(xiàn)以某電子組件的電源為例來(lái)計(jì)算輸入濾波電容。其原理框圖如圖1所示。

　　電容器C1有兩個(gè)功能，一是平滑濾波作用，二是儲(chǔ)能作用。因此，也有兩種計(jì)算方法：

圖1 整流濾波原理框圖

　?、俑鶕?jù)需要的紋波系數(shù)利用圖表來(lái)計(jì)算例如，若要求紋波系數(shù)r=0.5％，由圖表(在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)的電源模塊設(shè)計(jì)中已列入)可查得

ωC1RL=90(1)

ω=2πf

f=400Hz

RL=150V/1.2A=125Ω

由(1)式可計(jì)算出：

C1=286μF

　?、诟鶕?jù)所需的儲(chǔ)能時(shí)間來(lái)計(jì)算DC/DC變換器的輸入電壓范圍為DC100～300V，即當(dāng)輸入電壓Ui<100V時(shí) ， 輸 出 電 壓 將 開(kāi) 始 下 降 。

根據(jù)能量守恒定律E2－E1=E

以某電子組件為例

　　最大輸出功率POM=135W，

　　假設(shè)所需儲(chǔ)能時(shí)間為5ms，則(2掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

　　火控計(jì)算機(jī)為了在瞬時(shí)掉電時(shí)不丟失信息，要求電源具有掉電保護(hù)功能，如要求電源正常供電時(shí)提供一低電平，而當(dāng)?shù)綦娝查g＋5V電源下降到4.6V這一期間提供并維持一高電平。

　　某火控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路。其電路如圖2所示。

　　電路由四個(gè)元器件組成，二極管V1有兩個(gè)作用，一是防止輸入電源的正負(fù)極性插錯(cuò)，二是阻止C1向輸入側(cè)放電。E1選用4N27光電耦合器，用以隔離輸入輸出地線。

　　R1的計(jì)算是根據(jù)輸入電壓和使三極管飽和導(dǎo)通（UCE≤0．3V）的低電平所需流過(guò)二極管的最小電流I1來(lái)確定。

　　取電流I1=15mA損耗功率PR1=（28.5－0.7)×0.015=0.417W

　　選RJ－2W－1.8kΩ

　　R2由＋5V電壓和流經(jīng)三極管的電流I2來(lái)確定。取I2=5mA

圖2掉電保護(hù)電路

R2=(5－0.3)/0.005=1kΩ

PR2=5×0.005=0.025W

　　選RJ－0.125W－1kΩ

　　(3)輸出電壓調(diào)節(jié)電阻的計(jì)算

　　VICOR電源的DC/DC變換器都是固定輸出模式，但為了方便用戶，又設(shè)置了輸出電壓調(diào)節(jié)端。當(dāng)輸出電流較大，傳輸線路較長(zhǎng)時(shí)，為彌補(bǔ)線路上的壓降，需要將輸出電壓調(diào)高。如某電子組件的＋5V電源就設(shè)置一個(gè)調(diào)壓電阻R3，調(diào)節(jié)原理如圖3所示。

圖3輸出電壓調(diào)高

　　調(diào)節(jié)原理是改變基準(zhǔn)電壓，若將＋5V調(diào)高至5.2V，即調(diào)高了4％，因而基準(zhǔn)電壓2.5V也應(yīng)調(diào)高4％。

2.5(1＋4％）V=2.6V

　　流經(jīng)10kΩ電阻的電流為(10kΩ電阻設(shè)在模塊內(nèi)部)　　流經(jīng)R3的電流也應(yīng)為10μΑ　　(4)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　一般集成電源都設(shè)有過(guò)流保護(hù)，VICOR電源VI－200系列設(shè)有過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)；但VI－J00系列無(wú)過(guò)壓保護(hù)，若要設(shè)置過(guò)壓保護(hù)可如圖4所示來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)＋5V過(guò)壓時(shí)，可利用＋15V使晶閘管導(dǎo)通，使光電耦合器飽和導(dǎo)通，從而關(guān)掉N1DC/DC變換器的禁止門，使輸出電壓為零。

　　防雷擊保護(hù)，可在輸入端加瞬變電壓吸收二極管(TVS)。

　　(5)熱設(shè)計(jì)

　　電源的散熱設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分。性能優(yōu)良的電源模塊，也有將近20％的功率損耗，這將產(chǎn)生大量的熱量，如何將這些熱量傳遞出去是熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)?？箰毫迎h(huán)境計(jì)算機(jī)一般都采用密封的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，熱的傳遞方式主要是傳導(dǎo)。電源模塊產(chǎn)生的熱量從模塊的基板經(jīng)接觸面?zhèn)鞯缴崞?板)上，熱量傳過(guò)兩者之間的接觸面將使溫度降低，熱設(shè)計(jì)的任務(wù)之一是將這種溫度降低到最小程度，即將基板的熱量盡量多的傳遞到散熱器(板)上。如果將接觸面模型化為“熱阻”(θbs)，也就是要將θbs減小到最小程度。基板溫度(Tb)等于接觸面溫度與散熱器(板)的溫度(Ts)之和。接觸面的溫降值等于電源的功率損耗(Pdiss)與接觸面熱阻(θbs)的乘積。即

Tb=Ts＋Pdiss×θbs(7)

VICOR電源的最高工作溫度(指基板溫度)分別為85℃(VI－200)和100℃(VI－J00)。例如，在實(shí)際工作環(huán)境溫度最高為60℃時(shí)，要控制基板溫度低于85℃(如70℃)，利用式（7）計(jì)算公式求出接觸熱阻θbs。

　　設(shè)輸出最大功率POM=135W

　　轉(zhuǎn)換效率η=82％

圖4過(guò)壓保護(hù)電路

　　則最大功耗Pdiss=POM(1/η－1)=30W

在高溫＋60℃的溫箱中，散熱板的溫度等于環(huán)境溫度Ts=T=60℃　　使θbs減小的辦法是加大接觸面，改善接觸面的粗糙度，并使用導(dǎo)熱膠或VICOR提供的熱護(hù)墊(GRAFOIL)。當(dāng)接觸面的粗糙度≤5‰英寸，并使用熱護(hù)墊，可使θbs≤0.1℃／W。

　　(6)電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　電磁兼容性設(shè)計(jì)是一門牽涉面較廣的技術(shù)，就電源的EMC設(shè)計(jì)而言主要有以下措施：

　?、僭谳斎攵思覧MI濾波器是必要的，但必須設(shè)計(jì)或購(gòu)買適用于該系統(tǒng)的濾波器，才能抑制傳導(dǎo)干擾，達(dá)到預(yù)期目的。

　?、诒M量采用VICOR前端模塊AIM(交流輸入)和IAM(直流輸入)，它們都具有抑制EMI的功能。

　?、郾M量減少輸出電壓的紋波和噪聲?？刹捎肔C濾波或加紋波衰減模塊RAM。

　?、茉谳斎刖€之間加電容和在輸入、輸出端子與基板間加電容，可分別抑制常模干擾和共模干擾。

　?、萜帘瘟己檬菧p少電磁輻射的有效措施。

　　(7)其他可靠性設(shè)計(jì)措施

圖5電源系統(tǒng)框圖

　　對(duì)印制板的設(shè)計(jì)要求有：合理布線，并盡量加寬、縮短大電流的功率線；將電壓輸出線與＋S和－S采樣線分開(kāi)接到插頭處；盡量避免在模塊底部走線；盡量將插頭上的插針全用上，減少接觸電阻，這對(duì)大電流輸出的電源更為重要。電源系統(tǒng)框圖如圖5所示。