一种用于航天工程的二次电源系统设计

中科院上海技术物理研究所 周士兵 杨晓宇

引言

分散式二次电源系统是相对于集中供电而言的，航天器系统大都采用分散供电的设计结构，可从单一的28V总线给航天器各分系统供电，而不需要为每种电压贯穿整个系统进行重复布线。

随着CMOS器件的普及，许多印制电路板需要+5V和12V或+24V等规格的直流电压，这意味着单机需要一个比较集中的电源以满足工作要求。CMOS器件的特点是仅在开关瞬间需要较大的功率，因此就近放置一个电源比用一个低电压集中电源长距离供电，可以降低配线电感和电阻所引起的压降，而分散供电的设计结构正可以满足这一设计要求。

分散供电设计总的原则简单明了，但是当电源从集中移到各应用点的时候，从变换器本身产生的传导和反射纹波需要测量和控制，系统各单机电磁兼容性问题在设计中也必须解决。

目前，DC/DC变换器在卫星等航天工程项目电源系统设计中的使用已经非常普遍，其可以不受输入电压和负载波动的影响而提供稳定的输出电压。同时，DC/DC变换器在变换过程中使用了变压器进行电隔离，可以保护整个系统免受隔离故障的影响。

本文所述电路就是基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的一种用于航天器的二次电源系统。
电路设计

对于一个确定的工程系统，如果其电路中包含CMOS器件、运算放大器和电机驱动电路等部分，则+5V、12V和+24V电源一般来说是必须的。本设计基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器（见图1）。



开关电源变换器是窄带频谱输入噪声电流的天然发生器，具有开关频率基波分量及其高次谐波分量。大部分INTERPOINT电源变换器内部都具有一级LC 输入线滤波器，将噪声成分减低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪声电流或者要求满足GJB151.3-86或其他EMI规范时，还需要附加外部电源线滤波器。只要不超过滤波器的额定线电流和布局不受限制，多个电源变换器可以共用一个滤波器。图1所示电路中的DC/DC变换器分别为MSA2805S和MSA2812D，三个DC/DC变换器共用一个FMH461滤波器。

图1中，L1*A、L1*B和L1*C为一个三绕组电感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分别为两绕组电感。FUSE1和FUSE2为保险丝。

1 电源输入电路分析

在一次电源输入的+28V线上，增加了两个保险丝作为短路保护元件，在保证降额设计（如50%余量）的要求下，其熔值可视二次电源负载而定，如3A或5A。其中一个保险丝和电阻1R3串联，1R3阻值取0.15Ω，则两个保险丝为冗余设计。当负载异常而导致瞬间电流过大时，由于电流是从FUSE1保险丝流过，故FUSE1熔断。异常情况消失后，FUSE2仍然可以保证系统的正常工作。

2 电源输出电路分析

为了得到+5V、12V和+24V电源，电路中选用了MSA2805S和MSA2812D两种DC/DC变换器。在获取需要电源的同时，还需要注意噪声的滤除。

共模噪声主要是因为电感绕组间存在电容、电源器件内部存在寄生电容等原因而产生的。

各DC/DC变换器的输入回线上分别加旁路电容到DC/DC变换器外壳地，以滤除共模噪声。输入旁路电容可将机壳上的共模电流引回到输入回线上，减小辐射。
各DC/DC变换器的电源输出端，分别加了电感、旁路电容和极间电容，以滤除输出线对上的差模噪声和共模噪声。各电感的绕组的匝数和漏感分别相等，磁环为铁氧体软磁性材料。

3 电磁兼容性分析

+28V输入电源和DC/DC变换器之间通过FMH-461隔离，FMH-461是INTERPOINT公司生产的电磁干扰（EMI）滤波器，可以减小DC/DC变换器产生的高频反射纹波电流对公用输入母线+28V电源线的干扰，对电源线传导发射和电场辐射发射有效。同时，为减小电磁干扰，滤波器的外壳地必须与DC/DC变换器的外壳地低阻导通。图1所示电路中，直接将DC/DC变换器和滤波器的外壳短接。

测试结果分析

对于图1基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的电路，在试验室中分别对电源系统的输出电压和输出纹波进行了测试，测试结果如表1所示。



测试结果表明，在文中设计的电路中，DC/DC变换器输出电压的纹波在全带宽情况下，最大为135.48mV，而在限定带宽60MHz时，纹波不超过20mV，完全满足电路元器件正常工作对电源的要求。

结语

本文所述的一种用于航天器的二次电源系统是基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的，该电源系统已经成功用于航天器的有效载荷，并通过了电源线传导敏感度（CS101）、电源线传导发射（CE102）、电场辐射发射（RE102）和电场辐射敏感度（RS103）等EMC试验项目，满足航天产品的EMC试验要求。

文中设计的电源电路充分考虑了器件备份、母线电源的安全性、电磁干扰等因素，满足航天产品的可靠性、效率、浪涌和纹波、电磁兼容性的要求，获得了满意的结果。

来源：今日电子