一種用于航天工程的二次電源系統設計(圖)

引言

分散式二次電源系統是相對于集中供電而言的，航天器系統大都采用分散供電的設計結構，可從單一的28V總線(xiàn)給航天器各分系統供電，而不需要為每種電壓貫穿整個(gè)系統進(jìn)行重復布線(xiàn)。

隨著(zhù)CMOS器件的普及，許多印制電路板需要+5V和12V或+24V等規格的直流電壓，這意味著(zhù)單機需要一個(gè)比較集中的電源以滿(mǎn)足工作要求。CMOS器件的特點(diǎn)是僅在開(kāi)關(guān)瞬間需要較大的功率，因此就近放置一個(gè)電源比用一個(gè)低電壓集中電源長(cháng)距離供電，可以降低配線(xiàn)電感和電阻所引起的壓降，而分散供電的設計結構正可以滿(mǎn)足這一設計要求。

分散供電設計總的原則簡(jiǎn)單明了，但是當電源從集中移到各應用點(diǎn)的時(shí)候，從變換器本身產(chǎn)生的傳導和反射紋波需要測量和控制，系統各單機電磁兼容性問(wèn)題在設計中也必須解決。

目前，DC/DC變換器在衛星等航天工程項目電源系統設計中的使用已經(jīng)非常普遍，其可以不受輸入電壓和負載波動(dòng)的影響而提供穩定的輸出電壓。同時(shí)，DC/DC變換器在變換過(guò)程中使用了變壓器進(jìn)行電隔離，可以保護整個(gè)系統免受隔離故障的影響。

本文所述電路就是基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設計的一種用于航天器的二次電源系統。

電路設計

對于一個(gè)確定的工程系統，如果其電路中包含CMOS器件、運算放大器和電機驅動(dòng)電路等部分，則+5V、12V和+24V電源一般來(lái)說(shuō)是必須的。本設計基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器（見(jiàn)圖1）。

圖1 電路原理圖

開(kāi)關(guān)電源變換器是窄帶頻譜輸入噪聲電流的天然發(fā)生器，具有開(kāi)關(guān)頻率基波分量及其高次諧波分量。大部分INTERPOINT電源變換器內部都具有一級LC 輸入線(xiàn)濾波器，將噪聲成分減低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪聲電流或者要求滿(mǎn)足GJB151.3-86或其他EMI規范時(shí)，還需要附加外部電源線(xiàn)濾波器。只要不超過(guò)濾波器的額定線(xiàn)電流和布局不受限制，多個(gè)電源變換器可以共用一個(gè)濾波器。圖1所示電路中的DC/DC變換器分別為MSA2805S和MSA2812D，三個(gè)DC/DC變換器共用一個(gè)FMH461濾波器。

圖1中，L1*A、L1*B和L1*C為一個(gè)三繞組電感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分別為兩繞組電感。FUSE1和FUSE2為保險絲。

1 電源輸入電路分析

在一次電源輸入的+28V線(xiàn)上，增加了兩個(gè)保險絲作為短路保護元件，在保證降額設計（如50%余量）的要求下，其熔值可視二次電源負載而定，如3A或5A。其中一個(gè)保險絲和電阻1R3串聯(lián)，1R3阻值取0.15Ω，則兩個(gè)保險絲為冗余設計。當負載異常而導致瞬間電流過(guò)大時(shí)，由于電流是從FUSE1保險絲流過(guò)，故FUSE1熔斷。異常情況消失后，FUSE2仍然可以保證系統的正常工作。

2 電源輸出電路分析

為了得到+5V、12V和+24V電源，電路中選用了MSA2805S和MSA2812D兩種DC/DC變換器。在獲取需要電源的同時(shí)，還需要注意噪聲的濾除。

共模噪聲主要是因為電感繞組間存在電容、電源器件內部存在寄生電容等原因而產(chǎn)生的。

各DC/DC變換器的輸入回線(xiàn)上分別加旁路電容到DC/DC變換器外殼地，以濾除共模噪聲。輸入旁路電容可將機殼上的共模電流引回到輸入回線(xiàn)上，減小輻射。
各DC/DC變換器的電源輸出端，分別加了電感、旁路電容和極間電容，以濾除輸出線(xiàn)對上的差模噪聲和共模噪聲。各電感的繞組的匝數和漏感分別相等，磁環(huán)為鐵氧體軟磁性材料。

3 電磁兼容性分析

+28V輸入電源和DC/DC變換器之間通過(guò)FMH-461隔離，FMH-461是INTERPOINT公司生產(chǎn)的電磁干擾（EMI）濾波器，可以減小DC/DC變換器產(chǎn)生的高頻反射紋波電流對公用輸入母線(xiàn)+28V電源線(xiàn)的干擾，對電源線(xiàn)傳導發(fā)射和電場(chǎng)輻射發(fā)射有效。同時(shí)，為減小電磁干擾，濾波器的外殼地必須與DC/DC變換器的外殼地低阻導通。圖1所示電路中，直接將DC/DC變換器和濾波器的外殼短接。

測試結果分析

對于圖1基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設計的電路，在試驗室中分別對電源系統的輸出電壓和輸出紋波進(jìn)行了測試，測試結果如表1所示。

測試結果表明，在文中設計的電路中，DC/DC變換器輸出電壓的紋波在全帶寬情況下，最大為135.48mV，而在限定帶寬60MHz時(shí)，紋波不超過(guò)20mV，完全滿(mǎn)足電路元器件正常工作對電源的要求。

結語(yǔ)

本文所述的一種用于航天器的二次電源系統是基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設計的，該電源系統已經(jīng)成功用于航天器的有效載荷，并通過(guò)了電源線(xiàn)傳導敏感度（CS101）、電源線(xiàn)傳導發(fā)射（CE102）、電場(chǎng)輻射發(fā)射（RE102）和電場(chǎng)輻射敏感度（RS103）等EMC試驗項目，滿(mǎn)足航天產(chǎn)品的EMC試驗要求。

文中設計的電源電路充分考慮了器件備份、母線(xiàn)電源的安全性、電磁干擾等因素，滿(mǎn)足航天產(chǎn)品的可靠性、效率、浪涌和紋波、電磁兼容性的要求，獲得了滿(mǎn)意的結果。