机载高可靠性开关电源的设计

机载高可靠性开关的设计Design of High－ reliability Switching Mode Power Supply for Use with Aeroplane
  摘要：利用VICOR电源模块器件为机载计算机设计高可靠性稳压电源。
  关键词：机载计算机稳压电源抗恶劣环境热设计电磁兼容性掉电保护可靠性
  1引言
  机载计算机是一种工作在恶劣环境下的计算机，它必须能够在－55℃至＋60℃的宽温域内正常工作，并能经受严酷的冲击、振动、高低温循环、输入电压拉偏以及电磁兼容性等例行试验。因此，机载计算机同舰载、箭载计算机一样，同属抗恶劣环境计算机。
  　　直流稳压电源是计算机的生命之泵，但是机上的供电电源(交流115V或直流28.5V)，一般不能直接提供给计算机的各部件使用，必须将供电电源进行隔离并稳压后成为各种所需的直流电源才能供给各部件使用。
  　　机载计算机是在恶劣的电磁环境下工作，因此必须具有较强的抗电磁干扰能力，而飞机上供电网络的各种干扰(特别是传导干扰)首先进入稳压电源，另外计算机内部产生的各种干扰也经过电源再传入供电网络，从而对其他电子设备产生干扰。所以稳压电源必须能够抑制来自两个方向的电磁干扰，才能使计算机既能正常工作又不干扰其它电子设备。因此，要设计一台抗恶劣环境的机载计算机，必须为之设计出高可靠性的稳压电源。
  2高可靠性稳压电源的设计
  　　设计一个高可靠性的稳压电源，必须在以下几个方面做好工作。
  2.1电源的系统设计
  　　根据计算机整机对电源总的技术要求(其中包括电源电压种类，输出电流，稳定度和纹波电压，掉电保护，过流、过压保护，抗电磁干扰以及重量、尺寸等)，首先对电源进行系统设计。
  　　系统设计应考虑的几个主要方面是：
  　　（1）供电电源的选择
  　　机上可供选择的供电电源有两种，400Hz、115V交流电源和28.5V直流电源。两种电源各有优缺点，400Hz、115V电源波动小、干扰小，但所需要的器件耐压相对要高；而28.5V电源却相反。根据实际情况可与主机厂协商确定。
  　　（2）确定电源的系统方案
  　　电源系统方案的确定在很大程度上决定了电源的性能和可靠性水平，其主要内容有：
  　　①选择高可靠性的电源元器件；
  　　②设计电源系统的电路图，并做好必要的试验；
  　　③合理的热设计和电磁兼容性设计(壳体设计)；
  　　④其他可靠性设计和可维修性设计。
  2.2高可靠性稳压电源的设计原则
  　　（1）选择性能优良、高可靠性的电源元器件
  　　掌握尽量多的国内外电源元器件信息，创造条件有针对性地对某些器件和电路进行摸底试验，掌握第一手资料是设计高可靠性电源的先决条件。我们选用美国VICOR公司生产的VICOR电源模块作为主要器件，用来设计机载计算机高可靠性稳压电源。
  　　VICOR电源模块的主要特点是“零电流”开关技术，工作频率高达2MHz，高效率(80％～90％)，高功率密度(54～100W/立方英寸)，高可靠性（MTBF≥100万小时)以及适应输入电压变化范围宽等。
  　　(2)设计特殊要求的稳压电源
例如某火控机需要±10V精密电源，要求稳定度≤0.1％，纹波电压≤2mV，温度系数≤0.1mV／℃。
  　　为此我们设计了高性能的线性稳压电源在±15V的基础上进行二次稳压得到精密的±10V稳定电源。
  　　（3）可靠性设计
  　　电子技术的发展、电路的高度集成化，不但为计算机其他部件的设计，也为稳压电源的设计带来了极大的方便，省去了许多复杂的电路参数计算。稳压电路本身的集成化，使我们有更多的时间和精力去考虑外围电路的设计以及整机的热设计、电磁兼容性设计和其他可靠性设计。
  2.3具体设计计算
  　　(1)输入滤波电容的计算
  　　AC115V供电的开关电源，一般是直接将AC115V整流滤波成150V左右的直流，再进行DC/DC变换。现以某电子组件的电源为例来计算输入滤波电容。其原理框图如图1所示。
  　　电容器C1有两个功能，一是平滑滤波作用，二是储能作用。因此，也有两种计算方法：
  
  图1 整流滤波原理框图
  　　①根据需要的纹波系数利用图表来计算例如，若要求纹波系数r=0.5％，由图表(在计算机设计手册的电源模块设计中已列入)可查得
  ωC1RL=90(1)
  ω=2πf
  f=400Hz
  RL=150V/1.2A=125Ω
  由(1)式可计算出：
  C1=286μF
  　　②根据所需的储能时间来计算DC/DC变换器的输入电压范围为DC100～V，即当输入电压Ui&;100V时 ， 输 出 电 压 将 开 始 下 降 。
  根据能量守恒定律E2－E1=E
  以某电子组件为例
  　　最大输出功率POM=135W，
  　　假设所需储能时间为5ms，则(2掉电保护电路的设计与参数计算
  　　火控计算机为了在瞬时掉电时不丢失信息，要求电源具有掉电保护功能，如要求电源正常供电时提供一低电平，而当掉电瞬间＋5V电源下降到4.6V这一期间提供并维持一高电平。
  　　某火控计算机设计了掉电保护电路。其电路如图2所示。
  　　电路由四个元器件组成，二极管V1有两个作用，一是防止输入电源的正负极性插错，二是阻止C1向输入侧放电。
  　　R1的计算是根据输入电压和使三极管饱和导通（UCE≤0．3V）的低电平所需流过二极管的最小电流I1来确定。
  　　取电流I1=15mA损耗功率PR1=（28.5－0.7)×0.015=0.417W
  　　选RJ－2W－1.8kΩ
  　　R2由＋5V电压和流经三极管的电流I2来确定。取I2=5mA
  
  图2掉电保护电路
  R2=(5－0.3)/0.005=1kΩ
  PR2=5×0.005=0.025W
  　　选RJ－0.125W－1kΩ
  　　(3)输出电压调节电阻的计算
  　　VICOR电源的DC/DC变换器都是固定输出模式，但为了方便用户，又设置了输出电压调节端。如某电子组件的＋5V电源就设置一个调压电阻R3，调节原理如图3所示。
  
  图3输出电压调高
  　　调节原理是改变基准电压，若将＋5V调高至5.2V，即调高了4％，因而基准电压2.5V也应调高4％。
  2.5(1＋4％）V=2.6V
  　　流经10kΩ电阻的电流为(10kΩ电阻设在模块内部)　　流经R3的电流也应为10μΑ　　(4)保护电路的设计
  　　一般集成电源都设有过流保护，VICOR电源VI－200系列设有过流、过压和过热保护；但VI－J00系列无过压保护，若要设置过压保护可如图4所示来实现。
  　　当＋5V过压时，可利用＋15V使晶闸管导通，使光电耦合器饱和导通，从而关掉N1DC/DC变换器的禁止门，使输出电压为零。
  　　防雷击保护，可在输入端加瞬变电压吸收二极管(TVS)。
  　　(5)热设计
  　　电源的散热设计是可靠性设计的重要组成部分。性能优良的电源模块，也有将近20％的功率损耗，这将产生大量的热量，如何将这些热量传递出去是热设计的主要任务。抗恶劣环境计算机一般都采用密封的标准机箱，热的传递方式主要是传导。电源模块产生的热量从模块的基板经接触面传到散热器(板)上，热量传过两者之间的接触面将使温度降低，热设计的任务之一是将这种温度降低到最小程度，即将基板的热量尽量多的传递到散热器(板)上。如果将接触面模型化为“热阻”(θbs)，也就是要将θbs减小到最小程度。基板温度(Tb)等于接触面温度与散热器(板)的温度(Ts)之和。接触面的温降值等于电源的功率损耗(Pdiss)与接触面热阻(θbs)的乘积。即
  Tb=Ts＋Pdiss×θbs(7)
  VICOR电源的最高工作温度(指基板温度)分别为85℃(VI－200)和100℃(VI－J00)。例如，在实际工作环境温度最高为60℃时，要控制基板温度低于85℃(如70℃)，利用式（7）计算公式求出接触热阻θbs。
  　　设输出最大功率POM=135W
  　　转换效率η=82％
  
  图4过压保护电路
  　　则最大功耗Pdiss=POM(1/η－1)=30W
  在高温＋60℃的温箱中，散热板的温度等于环境温度Ts=T=60℃　　使θbs减小的办法是加大接触面，改善接触面的粗糙度，并使用导热胶或VICOR提供的热护垫(GRAFOIL)。当接触面的粗糙度≤5‰英寸，并使用热护垫，可使θbs≤0.1℃／W。
  　　(6)电磁兼容性设计
  　　电磁兼容性设计是一门牵涉面较广的技术，就电源的EMC设计而言主要有以下措施：
  　　①在输入端加EMI滤波器是必要的，但必须设计或购买适用于该系统的滤波器，才能抑制传导干扰，达到预期目的。
  　　②尽量采用VICOR前端模块AIM(交流输入)和IAM(直流输入)，它们都具有抑制EMI的功能。
  　　③尽量减少输出电压的纹波和噪声。可采用LC滤波或加纹波衰减模块RAM。

  　　⑤屏蔽良好是减少电磁辐射的有效措施。
  　　(7)其他可靠性设计措施
  
  图5电源系统框图
  　　对印制板的设计要求有：合理布线，并尽量加宽、缩短大电流的功率线；将电压输出线与＋S和－S采样线分开接到插头处；尽量避免在模块底部走线；尽量将插头上的插针全用上，减少接触电阻，这对大电流输出的电源更为重要。电源系统框图如图5所示。