一種多路輸出軍用車(chē)載電源的設(shè)計(jì)

1 引言

本文提到的多路輸出軍用車(chē)載電源是一種輸入輸出均為低壓大電流的雙路DC/DC開(kāi)關(guān)電源。輸入電壓9～15V，輸出電壓2路：一路24V；一路5V。24V輸出又同時(shí)供給三路負(fù)載；輸入電壓又直接供給兩路負(fù)載，如圖1所示。

圖1 電路框圖

考慮到輸出獨(dú)立保護(hù)的要求，本電源采用了兩路獨(dú)立的電路結(jié)構(gòu)，24V輸出功率較大采用Forward，5V輸出功率較小采用Flyback。

下面就電路中一些特殊的設(shè)計(jì)做一些介紹。

2 散熱器設(shè)計(jì)

散熱方式是電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)中首先需要考慮的部分，因?yàn)?，它關(guān)系著電路設(shè)計(jì)中元器件的選取，PCB的設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題。通常的電源產(chǎn)品都采用風(fēng)扇冷卻，這樣可以達(dá)到比較好的散熱效果。

本文提到的軍用車(chē)載電源，由于長(zhǎng)期工作在震動(dòng)和沖擊的環(huán)境下，采用風(fēng)扇冷卻會(huì)影響電源系統(tǒng)的可靠性，因此，采用自然冷卻的散熱結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的散熱器結(jié)構(gòu)安排如圖2所示。功率半導(dǎo)體器件放在PCB板的背面并緊貼底板，直接通過(guò)底板散熱，底板采用厚鋁材料，整個(gè)裝置安裝在大鐵板上（裝甲車(chē)）。裝置的兩側(cè)用帶翼的散熱片，兼起支撐作用。這樣整個(gè)散熱器的安排不但能達(dá)到比較好的散熱效果，還可以充分利用PCB板的空間，一定程度上減少了整個(gè)裝置的體積。

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)

3 三重過(guò)流保護(hù)

由于是軍用車(chē)載電源，對(duì)裝置的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高，所以，采用了三重過(guò)流保護(hù)，即微秒級(jí)保護(hù)、毫秒級(jí)保護(hù)及秒級(jí)保護(hù)。

3.1 微秒級(jí)保護(hù)

微秒級(jí)保護(hù)是指電源出現(xiàn)輸出過(guò)流或者短路時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)就能進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)?，通常開(kāi)關(guān)周期都是設(shè)計(jì)為微秒級(jí)，所以，稱(chēng)此保護(hù)為微秒級(jí)保護(hù)。具體的實(shí)施方法如圖3所示，峰值電流控制信號(hào)連到PWM芯片L5991^[1]的腳ISE，當(dāng)腳ISE的電壓大于1V時(shí)，L5991輸出就為低電平，從而關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。此保護(hù)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期進(jìn)行判斷，因此，反應(yīng)速度比較快，用以保護(hù)瞬間的過(guò)流。

圖3 電流峰值保護(hù)及恒流保護(hù)電路

3.2 毫秒級(jí)保護(hù)

毫秒級(jí)保護(hù)是指PI環(huán)的恒流保護(hù)，它的保護(hù)時(shí)間一般在幾十到幾百個(gè)開(kāi)關(guān)周期，這里就稱(chēng)它為毫秒級(jí)保護(hù)。由于取樣電流峰值保護(hù)是單周保護(hù)，穩(wěn)定性不是很好，只能對(duì)過(guò)渡過(guò)程的過(guò)流進(jìn)行有效的保護(hù)。因此，針對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的短路或過(guò)流，在這里采用PI環(huán)的恒流保護(hù)還是很有必要的。圖3虛線框內(nèi)為恒流保護(hù)電路，它利用峰值電流控制中的電流信號(hào)作為輸入信號(hào)，通過(guò)一個(gè)由D₁，R₁，C₁組成的峰值保持電路和由運(yùn)放組成的PI環(huán)節(jié)得到一個(gè)誤差信號(hào)，在變換器的輸出電流超過(guò)限定值的時(shí)候，該誤差信號(hào)就會(huì)控制PWM芯片的占空比，從而使輸出電流保持在限定值。由于D₂存在，當(dāng)輸出電流低于限流值時(shí)，該部分電路對(duì)占空比的控制不起作用。

3.3 秒級(jí)保護(hù)

秒級(jí)保護(hù)是指電路中的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲保護(hù)（自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的保護(hù)時(shí)間在幾秒以上），如圖1所示。當(dāng)電路處于上述的恒流保護(hù)，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使裝置過(guò)熱，若按照過(guò)流保護(hù)來(lái)做熱設(shè)計(jì)會(huì)增加裝置的成本。因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間(幾秒以上)的短路或過(guò)流，需要用保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)。本裝置中采用的是自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲也能恢復(fù)到正常導(dǎo)通狀態(tài)。采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的另外一個(gè)原因是裝置要求的每路負(fù)載獨(dú)立保護(hù)，當(dāng)一路過(guò)流保護(hù)時(shí)，該路的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲斷開(kāi)，其他幾路還能正常工作。5V那一路沒(méi)加自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是考慮到它本身就只有一路負(fù)載，可以通過(guò)微秒級(jí)和毫秒級(jí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，另外由于5V輸出電壓比較小，加上自恢復(fù)保險(xiǎn)絲會(huì)影響其輸出調(diào)整率。

4 RCD/RC雙重吸收

反激變換器由于變壓器漏感的存在，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管的D－S兩端會(huì)產(chǎn)生比較高的電壓尖峰。這個(gè)電壓尖峰增大了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此，必須采用吸收電路加以抑制。RCD吸收電路由于簡(jiǎn)潔且易實(shí)現(xiàn)，在小功率場(chǎng)合是比較常用的。RCD吸收反激變換器如圖4所示。從圖6中可以看到，加RCD吸收電路以后，開(kāi)關(guān)管D－S兩端的電壓尖峰大大地減少了，但是，同時(shí)也產(chǎn)生了新的更高頻率的振蕩，究其原因是變壓器原邊漏感與二極管的結(jié)電容諧振引起的。從電磁兼容考慮該振蕩必須加以抑制。改變R，C，D的參數(shù)對(duì)新的振蕩的影響并不大，因此，需要附加其它電路來(lái)抑制，在開(kāi)關(guān)管D－S兩端加上RC吸收電路在實(shí)驗(yàn)中取得了比較理想的效果。圖5即為RCD/RC雙重吸收電路，圖7所示的是RCD吸收反激變換器和RCD/RC雙重吸收反激變換器開(kāi)關(guān)管V_ds的實(shí)驗(yàn)波形。

圖4 RCD吸收電路

圖 5RCD/RC雙重吸收電路