某型彈載二次電源設計

摘要：介紹某型導引頭二次電源設計方案，詳細給出分析過(guò)程，理論分析該設計選取的接地方式，且通過(guò)結構設計減小線(xiàn)損降低壓降。綜合考慮完全使用線(xiàn)性穩壓電源、開(kāi)關(guān)穩壓電源或者復合型設計等方案，通過(guò)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(xiàn)性集成穩壓電源與DC—DC結合進(jìn)行設計。實(shí)踐表明該設計有較高的效率，可滿(mǎn)足各組件的用電需求。
關(guān)鍵詞：二次電源；開(kāi)關(guān)電源；接地；線(xiàn)性穩壓電源

電源是一切電子設備的動(dòng)力源，是保證電子設備正常工作的基礎部件。據相關(guān)統計，電源故障約占電子設備征集故障率的40％～50％。為此，對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。對于彈載二次電源更是如此，一定要考慮細致，除了滿(mǎn)足供電能力以外還要考慮其接地方式、效率、開(kāi)關(guān)電源與線(xiàn)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，在通用標準中規定，可靠性指標大于等于3 000 h是最低要求。
1．2 高的安全性
設計制造出的開(kāi)關(guān)電源，應符合相關(guān)標準或規范中規定的安全指標要求，如散熱要求，抗電強度要求，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，出現電源故障危及人身和設備安全。
1．3 好的可維修性
電源出現故障時(shí)，應能及時(shí)診斷出故障現象及部位，并且可以有效地解決故障或者更換故障模塊。

2 二次電源設計思路
彈載電源由于其空間和系統性要求，需要二次電源設計的小型化、電磁兼容性好，DC—DC效率高，可以滿(mǎn)足各個(gè)組件的用電需求，線(xiàn)性集成穩壓電源的測試和調試相對簡(jiǎn)單，如果兩者結合對產(chǎn)品的后續階段設計提供了方便。綜合考慮線(xiàn)性穩壓電源、開(kāi)關(guān)穩壓電源或者復合型設計等方案，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(xiàn)性集成穩壓電源與DC—DC結合進(jìn)行設計，也就是復合型設計。采用該設計有比較高的效率，可滿(mǎn)足各組件的用電需求，對于紋波要求比較高的供電電路采用線(xiàn)性穩壓電源。

3 二次電源具體設計分析
3．1 電源接地設計
設計電源還有個(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，但是對于經(jīng)歷過(guò)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，在電磁兼容設計中，接地是最難的技術(shù)。面對一個(gè)系統，沒(méi)有一個(gè)人能夠提出一個(gè)絕對正確的接地方案，多少會(huì )遺留一些問(wèn)題。造成這種情況的原因是接地沒(méi)有一個(gè)系統的理論或模型，人們在考慮接地時(shí)只能依靠過(guò)去的經(jīng)驗或從書(shū)上看到的經(jīng)驗。但接地是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，在其他場(chǎng)合很好的方案在這里不一定最好。關(guān)于接地設計在很大程度上依賴(lài)設計師的直覺(jué)，也就是他對“接地”這個(gè)概念的理解程度和經(jīng)驗。接地的方法很多，具體使用那一種方法取決于系統的結構和功能。
3．1．1 單點(diǎn)接地
單點(diǎn)接地有單元電路的、電路問(wèn)的和設備間的單點(diǎn)接地。如圖1所示為單點(diǎn)接地示意圖。其優(yōu)點(diǎn)是可以抑制傳導干擾。單點(diǎn)接地時(shí)，由于各電路和設備都接在一個(gè)接地點(diǎn)上，從而消了信號地系統中的干擾電流的閉合回路。設備地上的干擾電壓也不會(huì )通過(guò)接地電路進(jìn)入信號電路。這樣的接地使用導線(xiàn)長(cháng)，接地線(xiàn)本身的阻抗可觀(guān)，對于高頻信號接地效果不好。當接線(xiàn)長(cháng)度達到1／4信號波長(cháng)或其奇數倍時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很高，它就不是接地線(xiàn)而更像是輻射天線(xiàn)。

3．1．2 多點(diǎn)接地
在多點(diǎn)接地系統中，各電路和設備有多點(diǎn)并聯(lián)接地。因為可以就近接地，接地導線(xiàn)短，可以減少高頻駐波效應。但這種接地方法出現了多個(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回路中去。工程實(shí)踐表明，如能將電源和信號的回流線(xiàn)分開(kāi)，強信號和弱信號的回流線(xiàn)分開(kāi)，微弱信號和火工品信號等敏感信號采用單獨的回流線(xiàn)，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，系統內的電源需要單點(diǎn)接地，而射頻信號又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)就可以采用圖3所示的混合接地。對于直流，電容是開(kāi)路的，電路是單點(diǎn)接地，對于射頻，電容是導通的，電路是多點(diǎn)接地。圖3所示為混合接地示意圖。

實(shí)際應用中，信號頻率低于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(xiàn)長(cháng)度大于1／20波長(cháng)，采用單點(diǎn)接地；否則，應采用多點(diǎn)接地。該彈載二次電源是低頻電路，所以選擇單點(diǎn)接地，并且設計電路板時(shí)也要注意地線(xiàn)盡量寬并且走直線(xiàn)，保證接地干凈。
3．2 電源切換設計
因產(chǎn)品在工作時(shí)包括“預熱”與“準備”，正常工作時(shí)僅包括“預熱”，所以還要設計電源切換部分，見(jiàn)圖4。
電源在預熱狀態(tài)時(shí)，27 V電源的瞬態(tài)電流達到5．6 A；在準備狀態(tài)時(shí)，27 V預熱和28．5 V準備同時(shí)供電，電流達到5．25 A；在脫離載機后，電源為單一28．5 V準備供電，電流達到5．25 A。根據電壓和電流特性，選取的二極管應滿(mǎn)足額定電流大，反向工作電壓高，滿(mǎn)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(xiàn)性穩壓電源電路設計
該電源中有12 V電源，主要為幾個(gè)微波組件供電，對電源紋波水平要求較高，為了滿(mǎn)足要求充分利用線(xiàn)性電源的優(yōu)勢，特選擇線(xiàn)性穩壓電壓電路進(jìn)行設計。此處不給具體數值，僅舉例說(shuō)明選取合適的電容對消除紋波的影響，如圖5所示。

在電源輸入端接入了一個(gè)限流保護電阻，用于降低集成穩壓器的壓降，減少集成穩壓器自身的功耗，提高模塊的效率，同時(shí)對模塊進(jìn)行瞬時(shí)短路的電流保護。輸入／輸出端接入電容C起到了濾波并改善負載瞬時(shí)效應的作用，從而降低輸出紋波。電路中所有集成穩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(guān)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別很大，分別如圖6，圖7所示。

3．4 開(kāi)關(guān)電源電路設計
該電源也使用了DC—DC模塊電路，在此對其優(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(kāi)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到90％的利用率。開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率基波紋波，呈鋸齒波狀，同時(shí)還有功率開(kāi)關(guān)管在導通一截止過(guò)渡狀態(tài)產(chǎn)生的尖峰開(kāi)關(guān)噪聲重疊在鋸齒波上，用示波器觀(guān)察輸出紋波，當掃描頻率低時(shí)，可能只觀(guān)察到整流脈動(dòng)的低頻成分，開(kāi)關(guān)頻率基波紋波被低頻所調制。觀(guān)察基波紋波，掃描頻率應與開(kāi)關(guān)頻率相匹配，如圖9所示。

對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(xiàn)時(shí)，輸出銅線(xiàn)盡可能寬，且線(xiàn)間距不宜過(guò)大，輸出并聯(lián)電容應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(wèn)題，無(wú)論線(xiàn)性電源還是開(kāi)關(guān)電源，輸出紋波過(guò)大都是不愿意見(jiàn)到的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)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，比如PCB板布線(xiàn)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(wèn)題，導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壓電源，同時(shí)還要考慮其效率以及散熱問(wèn)題。目前，線(xiàn)性集成穩壓器產(chǎn)品種類(lèi)多，其體積小，穩定性好，精度高，噪聲小，紋波抑制性強，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，線(xiàn)性電源部分放置在放置艙表面，DC—DC模塊位于電子艙內部用于向處理機供電，集成穩壓器外圍電路元器件較少，集成穩壓器和外部器件分開(kāi)放置設計，之間用導線(xiàn)連接。

5 結語(yǔ)
該設計方案中關(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計。這使得二次電源設計簡(jiǎn)潔，所用元器件數量少，體積小，最終能達到輸出紋波小，穩壓特性好，并且設計裝配調試容易，滿(mǎn)足后續工程化要求。