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某型彈載二次電源設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-07-31 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:介紹某型導(dǎo)引頭二次方案,詳細(xì)給出分析過程,理論分析該選取的接地方式,且通過結(jié)構(gòu)減小線損降低壓降。綜合考慮完全使用線性穩(wěn)壓、開關(guān)穩(wěn)壓或者復(fù)合型設(shè)計(jì)等方案,通過分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性,該二次電源將采用線性集成穩(wěn)壓電源與DC—DC結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明該設(shè)計(jì)有較高的效率,可滿足各組件的用電需求。
關(guān)鍵詞:二次電源;開關(guān)電源;接地;線性穩(wěn)壓電源

電源是一切電子設(shè)備的動(dòng)力源,是保證電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)部件。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),電源故障約占電子設(shè)備征集故障率的40%~50%。為此,對(duì)電源必須提出一些基本要求,包括實(shí)用性能要求和電氣性能要求。對(duì)于彈載二次電源更是如此,一定要考慮細(xì)致,除了滿足供電能力以外還要考慮其接地方式、效率、開關(guān)電源與線性電源的取舍情況。

1 二次電源基本要求
1.1 高的可靠性
平均無(wú)故障時(shí)間MTBF是衡量電源可靠性重要指標(biāo),在通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,可靠性指標(biāo)大于等于3 000 h是最低要求。
1.2 高的安全性
設(shè)計(jì)制造出的開關(guān)電源,應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中規(guī)定的安全指標(biāo)要求,如散熱要求,抗電強(qiáng)度要求,防人身觸電要求等,以防止在極限狀態(tài)或者惡劣環(huán)境條件下,出現(xiàn)電源故障危及人身和設(shè)備安全。
1.3 好的可維修性
電源出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)能及時(shí)診斷出故障現(xiàn)象及部位,并且可以有效地解決故障或者更換故障模塊。

2 二次電源設(shè)計(jì)思路
彈載電源由于其空間和系統(tǒng)性要求,需要二次電源設(shè)計(jì)的小型化、電磁兼容性好,DC—DC效率高,可以滿足各個(gè)組件的用電需求,線性集成穩(wěn)壓電源的測(cè)試和調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單,如果兩者結(jié)合對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)階段設(shè)計(jì)提供了方便。綜合考慮線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源或者復(fù)合型設(shè)計(jì)等方案,分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性后,此二次電源將采用線性集成穩(wěn)壓電源與DC—DC結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì),也就是復(fù)合型設(shè)計(jì)。采用該設(shè)計(jì)有比較高的效率,可滿足各組件的用電需求,對(duì)于紋波要求比較高的供電電路采用線性穩(wěn)壓電源。

3 二次電源具體設(shè)計(jì)分析
3.1 電源接地設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)電源還有個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn),就是接地。接地從字面來(lái)十分簡(jiǎn)單,但是對(duì)于經(jīng)歷過電磁干擾挫折的人來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)最難掌握的技術(shù)。實(shí)際上,在電磁兼容設(shè)計(jì)中,接地是最難的技術(shù)。面對(duì)一個(gè)系統(tǒng),沒有一個(gè)人能夠提出一個(gè)絕對(duì)正確的接地方案,多少會(huì)遺留一些問題。造成這種情況的原因是接地沒有一個(gè)系統(tǒng)的理論或模型,人們?cè)诳紤]接地時(shí)只能依靠過去的經(jīng)驗(yàn)或從書上看到的經(jīng)驗(yàn)。但接地是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,在其他場(chǎng)合很好的方案在這里不一定最好。關(guān)于接地設(shè)計(jì)在很大程度上依賴設(shè)計(jì)師的直覺,也就是他對(duì)“接地”這個(gè)概念的理解程度和經(jīng)驗(yàn)。接地的方法很多,具體使用那一種方法取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。
3.1.1 單點(diǎn)接地
單點(diǎn)接地有單元電路的、電路問的和設(shè)備間的單點(diǎn)接地。如圖1所示為單點(diǎn)接地示意圖。其優(yōu)點(diǎn)是可以抑制傳導(dǎo)干擾。單點(diǎn)接地時(shí),由于各電路和設(shè)備都接在一個(gè)接地點(diǎn)上,從而消了信號(hào)地系統(tǒng)中的干擾電流的閉合回路。設(shè)備地上的干擾電壓也不會(huì)通過接地電路進(jìn)入信號(hào)電路。這樣的接地使用導(dǎo)線長(zhǎng),接地線本身的阻抗可觀,對(duì)于高頻信號(hào)接地效果不好。當(dāng)接線長(zhǎng)度達(dá)到1/4信號(hào)波長(zhǎng)或其奇數(shù)倍時(shí),地線阻抗變得很高,它就不是接地線而更像是輻射天線。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176611.htm

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3.1.2 多點(diǎn)接地
在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中,各電路和設(shè)備有多點(diǎn)并聯(lián)接地。因?yàn)榭梢跃徒拥?,接地?dǎo)線短,可以減少高頻駐波效應(yīng)。但這種接地方法出現(xiàn)了多個(gè)地回路。公共地中的50 Hz市電容易經(jīng)公共地回路耦合到信號(hào)回路中去。工程實(shí)踐表明,如能將電源和信號(hào)的回流線分開,強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的回流線分開,微弱信號(hào)和火工品信號(hào)等敏感信號(hào)采用單獨(dú)的回流線,就會(huì)大大減少的回路引起的干擾。圖2所示為多點(diǎn)接地示意圖。
3.1.3 混合接地
混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性,又包含了多點(diǎn)接地的特性。例如,系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地,而射頻信號(hào)又要求多點(diǎn)接地,這時(shí)就可以采用圖3所示的混合接地。對(duì)于直流,電容是開路的,電路是單點(diǎn)接地,對(duì)于射頻,電容是導(dǎo)通的,電路是多點(diǎn)接地。圖3所示為混合接地示意圖。

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實(shí)際應(yīng)用中,信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí),采用單點(diǎn)接地;高于10 MHz時(shí),多點(diǎn)接地;頻率在1~10 MHz之間時(shí),如果接地線長(zhǎng)度大于1/20波長(zhǎng),采用單點(diǎn)接地;否則,應(yīng)采用多點(diǎn)接地。該彈載二次電源是低頻電路,所以選擇單點(diǎn)接地,并且設(shè)計(jì)電路板時(shí)也要注意地線盡量寬并且走直線,保證接地干凈。
3.2 電源切換設(shè)計(jì)
因產(chǎn)品在工作時(shí)包括“預(yù)熱”與“準(zhǔn)備”,正常工作時(shí)僅包括“預(yù)熱”,所以還要設(shè)計(jì)電源切換部分,見圖4。
電源在預(yù)熱狀態(tài)時(shí),27 V電源的瞬態(tài)電流達(dá)到5.6 A;在準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí),27 V預(yù)熱和28.5 V準(zhǔn)備同時(shí)供電,電流達(dá)到5.25 A;在脫離載機(jī)后,電源為單一28.5 V準(zhǔn)備供電,電流達(dá)到5.25 A。根據(jù)電壓和電流特性,選取的二極管應(yīng)滿足額定電流大,反向工作電壓高,滿足使用要求,其封裝容易安裝,并且安裝在放置艙殼體上利于二極管的散熱。
3.3 線性穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)
該電源中有12 V電源,主要為幾個(gè)微波組件供電,對(duì)電源紋波水平要求較高,為了滿足要求充分利用線性電源的優(yōu)勢(shì),特選擇線性穩(wěn)壓電壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。此處不給具體數(shù)值,僅舉例說(shuō)明選取合適的電容對(duì)消除紋波的影響,如圖5所示。

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在電源輸入端接入了一個(gè)限流保護(hù)電阻,用于降低集成穩(wěn)壓器的壓降,減少集成穩(wěn)壓器自身的功耗,提高模塊的效率,同時(shí)對(duì)模塊進(jìn)行瞬時(shí)短路的電流保護(hù)。輸入/輸出端接入電容C起到了濾波并改善負(fù)載瞬時(shí)效應(yīng)的作用,從而降低輸出紋波。電路中所有集成穩(wěn)壓器選用固定正壓輸出系列。在輸入電壓30 V上疊加一個(gè)交流分量后觀察輸出情況,該處輸出紋波大小是重點(diǎn),所以一定要選擇合適電容進(jìn)行濾波,是否使用合適電容輸出紋波區(qū)別很大,分別如圖6,圖7所示。

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3.4 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)
該電源也使用了DC—DC模塊電路,在此對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,并且提出解決辦法,此處不給出具體數(shù)值,僅做原理分析。如圖8所示。
該電路是一個(gè)比較典型的開關(guān)電源電路,其最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高,電路采用的模塊能達(dá)到90%的利用率。開關(guān)電源的最大缺點(diǎn)是輸出紋波較大,除了輸入整流脈動(dòng)成分外,主要是開關(guān)頻率基波紋波,呈鋸齒波狀,同時(shí)還有功率開關(guān)管在導(dǎo)通一截止過渡狀態(tài)產(chǎn)生的尖峰開關(guān)噪聲重疊在鋸齒波上,用示波器觀察輸出紋波,當(dāng)掃描頻率低時(shí),可能只觀察到整流脈動(dòng)的低頻成分,開關(guān)頻率基波紋波被低頻所調(diào)制。觀察基波紋波,掃描頻率應(yīng)與開關(guān)頻率相匹配,如圖9所示。

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對(duì)此采取解決辦法就是在輸出端口增加濾波電容,并且PCB板布線時(shí),輸出銅線盡可能寬,且線間距不宜過大,輸出并聯(lián)電容應(yīng)盡可能與模塊電源靠近,以降低干擾。

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑
主要就是關(guān)于濾波的問題,無(wú)論線性電源還是開關(guān)電源,輸出紋波過大都是不愿意見到的問題。解決這個(gè)問題除了從原理上增加濾波電容外,還要利用實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),比如PCB板布線盡量寬,間距盡量小,輸出電容與模塊盡量靠近,這些都會(huì)對(duì)減小紋波能有很大的幫助。還有就是實(shí)際工程中遇到的問題,導(dǎo)引頭二次電源中部分電路輸出電流較大,要選擇合適的集成穩(wěn)壓電源,同時(shí)還要考慮其效率以及散熱問題。目前,線性集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品種類多,其體積小,穩(wěn)定性好,精度高,噪聲小,紋波抑制性強(qiáng),電磁兼容性好。但是其效率較低,是散熱較大的功率器件。借鑒以前的經(jīng)驗(yàn),線性電源部分放置在放置艙表面,DC—DC模塊位于電子艙內(nèi)部用于向處理機(jī)供電,集成穩(wěn)壓器外圍電路元器件較少,集成穩(wěn)壓器和外部器件分開放置設(shè)計(jì),之間用導(dǎo)線連接。

5 結(jié)語(yǔ)
該設(shè)計(jì)方案中關(guān)鍵元器件均選用成熟產(chǎn)品,質(zhì)量可靠;同時(shí)充分考慮接地、濾波、空間、散熱和電磁兼容性設(shè)計(jì)。這使得二次電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,所用元器件數(shù)量少,體積小,最終能達(dá)到輸出紋波小,穩(wěn)壓特性好,并且設(shè)計(jì)裝配調(diào)試容易,滿足后續(xù)工程化要求。



關(guān)鍵詞: 設(shè)計(jì) 電源

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