小型機載計算機電源的設(shè)計與研究

摘要：根據(jù)機載計算機電源的特點，簡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、對空間敏感小型機載計算機供電電源的設(shè)計。此外，對關(guān)鍵部件——高頻脈沖變壓器的設(shè)計和相關(guān)理論進行了一定的分析和探討。關(guān)鍵詞：機載計算機 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)模集成電路的機載計算機主機已越來越小型化，這就對其電源部件的體積和重量提出了進一步小型化的要求。機載計算機是一種抗惡劣環(huán)境的計算機，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；同時還要耐振動、耐撞擊、抗電磁干擾等。 1 某機載計算機電源的技術(shù)要求 某機載計算機對電源部件的技術(shù)要求見表1。表1 某機載計算機電源技術(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、過流、過壓等保護；滿足其它機載條件。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，必須設(shè)計小型、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）進行設(shè)計，圖1為其典型電路結(jié)構(gòu)。此電路簡潔可靠，主開關(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)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時（TON），電流流過變壓器T1的初級線圈N1，變壓器將能量以磁場的形式存儲起來，由于初、次級圈相位不同，所以當(dāng)電流流過初級線圈時，次級線圈N2中沒有電流流過。當(dāng)Q1截止時（TOFF），消失 的磁場使初、次級線圈中電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管VD導(dǎo)通，電流通過VD流向負載，變壓器的能量釋放，提供負載電壓、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，初級繞組電感量為： 其中，fOSC為開關(guān)頻率；Pomin為輕負載時輸出功率；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系列控制器旨在實現(xiàn)一種能夠滿足多路供電電壓輸出而無需進行復(fù)雜設(shè)計的高集成度電源的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計者使用它能很快地開發(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開關(guān)管以及過流、過熱、低電壓鎖定，還包括軟啟動、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 設(shè)計的某機載計算機DC/DC開關(guān)電源如圖3所示。U1為控制器LM2588-5.0。脈沖變壓器T1共有五個繞組：N1為初級繞組，N2、N3、N4、N5為次級繞組，分別對應(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，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)計是整個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。這里選擇TOKIN公司FEER28L磁芯，磁芯的有效截面積為84.7mm2，有效磁路長度為78.3mm。彩 鐵氧體B25材料，常溫時最大磁感應(yīng)強度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%,如果初級繞組的電感量設(shè)計得大，則流過功率開關(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關(guān)管開通電流大；電感量小時，電流脈動大，沖擊電流大。因此設(shè)計電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài)，輕負載時取額定功率的一半，由（2）式可知： 初級繞組的峰值電流為： 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、次級繞組匝數(shù) 初級繞組的電感的儲能為： 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)強度范圍 初級輸入電流平均值為： IIN（av）=Po/(η%26;#183;VIN%26;#183;D) （7-1） 初級電流上升值ΔI為： ΔI=VIN%26;#183;TON/L （7-2） 初級電流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，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)強度大約是Bm的三分之一，設(shè)計是合理的。 3.3 開關(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，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，必須把被級線圈的電感量設(shè)計為大于最大值。其經(jīng)驗計算公式如下（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 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開關(guān)管的驅(qū)動輸出，起到很好的限流保護作用。 如果將輸出端直接短路，由于使用標(biāo)準(zhǔn)型號的變壓器，當(dāng)輸出電壓降至正常值的80%時，開關(guān)頻率將降至25kHz。更低的開關(guān)頻率將導(dǎo)致開關(guān)管截止時間更長，變壓器完全可以在開關(guān)管重新導(dǎo)通之間釋放掉儲存的全部能量。因此，在開關(guān)管重新導(dǎo)通時，變壓器中為零電流，在這種情況下，開關(guān)峰值電流限制電路將限制初級電感峰值電流，很好地起到了保護控制器的作用。在短路實驗中，控制器沒有明顯的過熱現(xiàn)象，恢復(fù)至正常情況時，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“邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整”引腳1可進行邏輯關(guān)斷控制。當(dāng)3V以上的邏輯電平被加在引腳1上時，控制器便進入邏輯關(guān)斷狀態(tài)。因此，通過此引腳，可搭建簡單的外圍電路，構(gòu)成過電壓保護電路等。 開關(guān)頻率可以通過外接電阻RSET在100kHz～200kHz之間調(diào)整，這個特點可以讓使用者根據(jù)工作頻率優(yōu)化磁存儲以及電容器的尺寸、型號等。表2為不同的電阻值對應(yīng)的常用開關(guān)頻率。表2 電阻值對應(yīng)的開關(guān)頻率 RSET/k開關(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)時鐘或其它開關(guān)模式的振蕩器信號同步。這個特點使得可以并聯(lián)使用多個設(shè)備，使其工作在同一個開關(guān)頻率下，極大地消除了相關(guān)頻率噪聲干擾，使開關(guān)諧波得到控制和協(xié)調(diào)；同時獲得更多的輸出電壓值，擴大控制器的應(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、多路輸出最大負載電流之和∑ILOAD以及主功率線圈比N等，其近似計算公式如下： 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降低溫度，但當(dāng)控制器溫度超過其最大結(jié)溫時(典型值為150℃)，控制器便進入熱關(guān)斷狀態(tài)，迫使控制器停止工作，直到冷卻至允許開啟的溫度時才重新工作。也可加裝散熱片來提高控制器結(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的存儲電容接至供電輸入端。將一個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）。開關(guān)頻率100kHz。輸出電壓分A、B、C、D四級：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，重量僅為0.21kg。電源經(jīng)過各項性能測試和高低溫實驗，并通過與計算機聯(lián)試，證明其各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求。 回掃式拓撲電路結(jié)構(gòu)無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、輸出電壓擴展性強等特點，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。 本文所介紹的開關(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)計電路，具有很大的推廣應(yīng)用價值。