一種多路輸出軍用車(chē)載電源的設計

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)供給三路負載；輸入電壓又直接供給兩路負載，如圖1所示。

圖1 電路框圖

考慮到輸出獨立保護的要求，本電源采用了兩路獨立的電路結構，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計做一些介紹。

2 散熱器設計

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

本文提到的軍用車(chē)載電源，由于長(cháng)期工作在震動(dòng)和沖擊的環(huán)境下，采用風(fēng)扇冷卻會(huì )影響電源系統的可靠性，因此，采用自然冷卻的散熱結構。整個(gè)裝置的散熱器結構安排如圖2所示。功率半導體器件放在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 散熱器結構

3 三重過(guò)流保護

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

3.1 微秒級保護

微秒級保護是指電源出現輸出過(guò)流或者短路時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內就能進(jìn)行保護。因為，通常開(kāi)關(guān)周期都是設計為微秒級，所以，稱(chēng)此保護為微秒級保護。具體的實(shí)施方法如圖3所示，峰值電流控制信號連到PWM芯片L5991^[1]的腳ISE，當腳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。此保護在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期進(jìn)行判斷，因此，反應速度比較快，用以保護瞬間的過(guò)流。

圖3 電流峰值保護及恒流保護電路

3.2 毫秒級保護

毫秒級保護是指PI環(huán)的恒流保護，它的保護時(shí)間一般在幾十到幾百個(gè)開(kāi)關(guān)周期，這里就稱(chēng)它為毫秒級保護。由于取樣電流峰值保護是單周保護，穩定性不是很好，只能對過(guò)渡過(guò)程的過(guò)流進(jìn)行有效的保護。因此，針對較長(cháng)時(shí)間的短路或過(guò)流，在這里采用PI環(huán)的恒流保護還是很有必要的。圖3虛線(xiàn)框內為恒流保護電路，它利用峰值電流控制中的電流信號作為輸入信號，通過(guò)一個(gè)由D₁，R₁，C₁組成的峰值保持電路和由運放組成的PI環(huán)節得到一個(gè)誤差信號，在變換器的輸出電流超過(guò)限定值的時(shí)候，該誤差信號就會(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，當輸出電流低于限流值時(shí)，該部分電路對占空比的控制不起作用。

3.3 秒級保護

秒級保護是指電路中的自恢復保險絲保護（自恢復保險絲的保護時(shí)間在幾秒以上），如圖1所示。當電路處于上述的恒流保護，如果時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )使裝置過(guò)熱，若按照過(guò)流保護來(lái)做熱設計會(huì )增加裝置的成本。因此，對于長(cháng)時(shí)間(幾秒以上)的短路或過(guò)流，需要用保險絲進(jìn)行保護。本裝置中采用的是自恢復保險絲，當負載恢復正常時(shí)，自恢復保險絲也能恢復到正常導通狀態(tài)。采用自恢復保險絲的另外一個(gè)原因是裝置要求的每路負載獨立保護，當一路過(guò)流保護時(shí)，該路的自恢復保險絲斷開(kāi)，其他幾路還能正常工作。5V那一路沒(méi)加自恢復保險絲是考慮到它本身就只有一路負載，可以通過(guò)微秒級和毫秒級實(shí)現保護，另外由于5V輸出電壓比較小，加上自恢復保險絲會(huì )影響其輸出調整率。

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，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的參數對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)驗波形。

圖4 RCD吸收電路

圖 5RCD/RC雙重吸收電路