機載高可靠性開關電源的設計

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

摘要：利用VICOR電源模塊器件為機載計算機設計高可靠性穩壓電源。

關鍵詞：機載計算機穩壓電源抗惡劣環境熱設計電磁兼容性掉電保護可靠性

1引言

機載計算機是一種工作在惡劣環境下的計算機，它必須能夠在－55℃至＋60℃的寬溫域內正常工作，并能經受嚴酷的沖擊、振動、高低溫循環、輸入電壓拉偏以及電磁兼容性等例行試驗。因此，機載計算機同艦載、箭載計算機一樣，同屬抗惡劣環境計算機。

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

　　機載計算機是在惡劣的電磁環境下工作，因此必須具有較強的抗電磁干擾能力，而飛機上供電網絡的各種干擾(特別是傳導干擾)首先進入穩壓電源，另外計算機內部產生的各種干擾也經過電源再傳入供電網絡，從而對其他電子設備產生干擾。所以穩壓電源必須能夠抑制來自兩個方向的電磁干擾，才能使計算機既能正常工作又不干擾其它電子設備。因此，要設計一臺抗惡劣環境的機載計算機，必須為之設計出高可靠性的穩壓電源。

2高可靠性穩壓電源的設計

　　設計一個高可靠性的穩壓電源，必須在以下幾個方面做好工作。

2.1電源的系統設計

　　根據計算機整機對電源總的技術要求(其中包括電源電壓種類，輸出電流，穩定度和紋波電壓，掉電保護，過流、過壓保護，抗電磁干擾以及重量、尺寸等)，首先對電源進行系統設計。

　　系統設計應考慮的幾個主要方面是：

　　（1）供電電源的選擇

　　機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。兩種電源各有優缺點，400Hz、115V電源波動小、干擾小，但所需要的器件耐壓相對要高；而28.5V電源卻相反。根據實際情況可與主機廠協商確定。

　　（2）確定電源的系統方案

　　電源系統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，其主要內容有：

　　①選擇高可靠性的電源元器件；

　　②設計電源系統的電路圖，并做好必要的試驗；

　　③合理的熱設計和電磁兼容性設計(殼體設計)；

　　④其他可靠性設計和可維修性設計。

2.2高可靠性穩壓電源的設計原則

　　（1）選擇性能優良、高可靠性的電源元器件

　　掌握盡量多的國內外電源元器件信息，創造條件有針對性地對某些器件和電路進行摸底試驗，掌握第一手資料是設計高可靠性電源的先決條件。我們選用美國VICOR公司生產的VICOR電源模塊作為主要器件，用來設計機載計算機高可靠性穩壓電源。

　　VICOR電源模塊的主要特點是“零電流”開關技術，工作頻率高達2MHz，高效率(80％～90％)，高功率密度(54～100W/立方英寸)，高可靠性（MTBF≥100萬小時)以及適應輸入電壓變化范圍寬等。

　　(2)設計特殊要求的穩壓電源

　　根據需要，整機可能提出某些有特殊要求的非標準穩壓電源。例如某火控機需要±10V精密電源，要求穩定度≤0.1％，紋波電壓≤2mV，溫度系數≤0.1mV／℃。

　　為此我們設計了高性能的線性穩壓電源在±15V的基礎上進行二次穩壓得到精密的±10V穩定電源。

　　（3）可靠性設計

　　電子技術的發展、電路的高度集成化，不但為計算機其他部件的設計，也為穩壓電源的設計帶來了極大的方便，省去了許多復雜的電路參數計算。穩壓電路本身的集成化，使我們有更多的時間和精力去考慮外圍電路的設計以及整機的熱設計、電磁兼容性設計和其他可靠性設計。

2.3具體設計計算

　　(1)輸入濾波電容的計算

　　AC115V供電的開關電源，一般是直接將AC115V整流濾波成150V左右的直流，再進行DC/DC變換。現以某電子組件的電源為例來計算輸入濾波電容。其原理框圖如圖1所示。

　　電容器C1有兩個功能，一是平滑濾波作用，二是儲能作用。因此，也有兩種計算方法：

圖1 整流濾波原理框圖

　　①根據需要的紋波系數利用圖表來計算例如，若要求紋波系數r=0.5％，由圖表(在計算機設計手冊的電源模塊設計中已列入)可查得

ωC1RL=90(1)

ω=2πf

f=400Hz

RL=150V/1.2A=125Ω

由(1)式可計算出：

C1=286μF

　　②根據所需的儲能時間來計算DC/DC變換器的輸入電壓范圍為DC100～300V，即當輸入電壓Ui<100V時 ， 輸 出 電 壓 將 開 始 下 降 。

根據能量守恒定律E2－E1=E

以某電子組件為例

　　最大輸出功率POM=135W，

　　假設所需儲能時間為5ms，則(2掉電保護電路的設計與參數計算

　　火控計算機為了在瞬時掉電時不丟失信息，要求電源具有掉電保護功能，如要求電源正常供電時提供一低電平，而當掉電瞬間＋5V電源下降到4.6V這一期間提供并維持一高電平。

　　某火控計算機設計了掉電保護電路。其電路如圖2所示。

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

　　R1的計算是根據輸入電壓和使三極管飽和導通（UCE≤0．3V）的低電平所需流過二極管的最小電流I1來確定。

　　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電壓和流經三極管的電流I2來確定。取I2=5mA

圖2掉電保護電路

R2=(5－0.3)/0.005=1kΩ

PR2=5×0.005=0.025W

　　選RJ－0.125W－1kΩ

　　(3)輸出電壓調節電阻的計算

　　VICOR電源的DC/DC變換器都是固定輸出模式，但為了方便用戶，又設置了輸出電壓調節端。當輸出電流較大，傳輸線路較長時，為彌補線路上的壓降，需要將輸出電壓調高。如某電子組件的＋5V電源就設置一個調壓電阻R3，調節原理如圖3所示。

圖3輸出電壓調高

　　調節原理是改變基準電壓，若將＋5V調高至5.2V，即調高了4％，因而基準電壓2.5V也應調高4％。

2.5(1＋4％）V=2.6V

　　流經10kΩ電阻的電流為(10kΩ電阻設在模塊內部)　　流經R3的電流也應為10μΑ　　(4)保護電路的設計

　　一般集成電源都設有過流保護，VICOR電源VI－200系列設有過流、過壓和過熱保護；但VI－J00系列無過壓保護，若要設置過壓保護可如圖4所示來實現。

　　當＋5V過壓時，可利用＋15V使晶閘管導通，使光電耦合器飽和導通，從而關掉N1DC/DC變換器的禁止門，使輸出電壓為零。

　　防雷擊保護，可在輸入端加瞬變電壓吸收二極管(TVS)。

　　(5)熱設計

　　電源的散熱設計是可靠性設計的重要組成部分。性能優良的電源模塊，也有將近20％的功率損耗，這將產生大量的熱量，如何將這些熱量傳遞出去是熱設計的主要任務。抗惡劣環境計算機一般都采用密封的標準機箱，熱的傳遞方式主要是傳導。電源模塊產生的熱量從模塊的基板經接觸面傳到散熱器(板)上，熱量傳過兩者之間的接觸面將使溫度降低，熱設計的任務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，在實際工作環境溫度最高為60℃時，要控制基板溫度低于85℃(如70℃)，利用式（7）計算公式求出接觸熱阻θbs。

　　設輸出最大功率POM=135W

　　轉換效率η=82％

圖4過壓保護電路

　　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，并使用導熱膠或VICOR提供的熱護墊(GRAFOIL)。當接觸面的粗糙度≤5‰英寸，并使用熱護墊，可使θbs≤0.1℃／W。

　　(6)電磁兼容性設計

　　電磁兼容性設計是一門牽涉面較廣的技術，就電源的EMC設計而言主要有以下措施：

　　①在輸入端加EMI濾波器是必要的，但必須設計或購買適用于該系統的濾波器，才能抑制傳導干擾，達到預期目的。

　　②盡量采用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。

　　③盡量減少輸出電壓的紋波和噪聲。可采用LC濾波或加紋波衰減模塊RAM。

　　④在輸入線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。

　　⑤屏蔽良好是減少電磁輻射的有效措施。

　　(7)其他可靠性設計措施

圖5電源系統框圖

　　對印制板的設計要求有：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，這對大電流輸出的電源更為重要。電源系統框圖如圖5所示。