机载高可靠性开关电源的规划
Design of High－ reliability Switching Mode Power Supply for Use with Aeroplane
摘要：运用VICOR电源模块器材为机载核算机规划高可靠性稳压电源。
关键词：机载核算机稳压电源抗恶劣环境热规划电磁兼容性掉电维护可靠性
1导言
机载核算机是一种作业在恶劣环境下的核算机，它有必要可以在－55℃至＋60℃的宽温域内正常作业，并能饱尝严格的冲击、振荡、高低温循环、输入电压拉偏以及电磁兼容性等例行实验。因此，机载核算机同舰载、箭载核算机相同，同属抗恶劣环境核算机。
直流稳压电源是核算机的生命之泵，可是机上的供电电源(沟通115V或直流28.5V)，一般不能直接供给应核算机的各部件运用，有必要将供电电源进行阻隔并稳压后成为各种所需的直流电源才干供应各部件运用。
机载核算机是在恶劣的电磁环境下作业，因此有必要具有较强的抗电磁搅扰才干，而飞机上供电网络的各种搅扰(特别是传导搅扰)首要进入稳压电源，别的核算机内部发生的各种搅扰也通过电源再传入供电网络，然后对其他电子设备发生搅扰。所以稳压电源有必要可以按捺来自两个方向的电磁搅扰，才干使核算机既能正常作业又不搅扰其它电子设备。因此，要规划一台抗恶劣环境的机载核算机，有必要为之规划出高可靠性的稳压电源。
2高可靠性稳压电源的规划
规划一个高可靠性的稳压电源，有必要在以下几个方面做好作业。
2.1电源的体系规划
依据核算机整机对电源总的技能要求(其间包含电源电压品种，输出电流，安稳度和纹波电压，掉电维护，过流、过压维护，抗电磁搅扰以及分量、尺度等)，首要对电源进行体系规划。
体系规划应考虑的几个首要方面是：
（1）供电电源的挑选
机上可供挑选的供电电源有两种，400Hz、115V沟通电源和28.5V直流电源。两种电源各有优缺点，400Hz、115V电源动摇小、搅扰小，但所需求的器材耐压相对要高；而28.5V电源却相反。依据实际情况可与主机厂洽谈确认。
（2）确认电源的体系计划
电源体系计划确实认在很大程度上决议了电源的功用和可靠性水平，其首要内容有：
①挑选高可靠性的电源元器材；
②规划电源体系的电路图，并做好必要的实验；
③合理的热规划和电磁兼容性规划(壳体规划)；
④其他可靠性规划和可修理性规划。
2.2高可靠性稳压电源的规划准则
（1）挑选功用优秀、高可靠性的电源元器材
把握尽量多的国内外电源元器材信息，创造条件有针对性地对某些器材和电路进行了解实验，把握第一手资料是规划高可靠性电源的先决条件。咱们选用美国VICOR公司出产的VICOR电源模块作为首要器材，用来规划机载核算机高可靠性稳压电源。
VICOR电源模块的首要特点是“零电流”开关技能，作业频率高达2MHz，高功率(80％～90％)，高功率密度(54～100W/立方英寸)，高可靠性（MTBF≥100万小时)以及习惯输入电压改动规模宽等。
(2)规划特殊要求的稳压电源
依据需求，整机或许提出某些有特殊要求的非规范稳压电源。例如某火控机需求±10V精细电源，要求安稳度≤0.1％，纹波电压≤2mV，温度系数≤0.1mV／℃。
为此咱们规划了高功用的线性稳压电源在±15V的基础上进行二次稳压得到精细的±10V安稳电源。
（3）可靠性规划
电子技能的开展、电路的高度集成化，不光为核算机其他部件的规划，也为稳压电源的规划带来了极大的便利，省去了许多杂乱的电路参数核算。稳压电路自身的集成化，使咱们有更多的时刻和精力去考虑外围电路的规划以及整机的热规划、电磁兼容性规划和其他可靠性规划。
2.3详细规划核算
(1)输入滤波电容的核算
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改换。现以某电子组件的电源为例来核算输入滤波电容。其原理框图如图1所示。
电容器C1有两个功用，一是滑润滤波效果，二是储能效果。因此，也有两种核算方法：
图1 整流滤波原理框图
①依据需求的纹波系数运用图表来核算例如，若要求纹波系数r=0.5％，由图表(在核算机规划手册的电源模块规划中已列入)可查得
ωC1RL=90(1)
ω=2πf
f=400Hz
RL=150V/1.2A=125Ω
由(1)式可核算出：
C1=286μF
②依据所需的储能时刻来核算DC/DC改换器的输入电压规模为DC100～300V，即当输入电压Ui<100V时 ， 输 出 电 压 将 开 始 下 降 。
依据能量守恒规律E2－E1=E
以某电子组件为例
最大输出功率POM=135W，
假定所需储能时刻为5ms，则(2掉电维护电路的规划与参数核算
火控核算机为了在瞬时掉电时不丢掉信息，要求电源具有掉电维护功用，如要求电源正常供电时供给一低电平，而当掉电瞬间＋5V电源下降到4.6V这一期间供给并保持一高电平。
某火控核算机规划了掉电维护电路。其电路如图2所示。
电路由四个元器材组成，二极管V1有两个效果，一是防止输入电源的正负极性插错，二是阻挠C1向输入侧放电。E1选用4N27光电耦合器，用以阻隔输入输出地线。
R1的核算是依据输入电压和使三极管饱满导通（UCE≤0．3V）的低电平所需流过二极管的最小电流I1来确认。
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来确认。取I2=5mA
图2掉电维护电路
R2=(5－0.3)/0.005=1kΩ
PR2=5×0.005=0.025W
选RJ－0.125W－1kΩ
(3)输出电压调理电阻的核算
VICOR电源的DC/DC改换器都是固定输出形式，但为了便运用户，又设置了输出电压调理端。当输出电流较大，传输线路较长时，为补偿线路上的压降，需求将输出电压调高。如某电子组件的＋5V电源就设置一个调压电阻R3，调理原理如图3所示。
图3输出电压调高
调理原理是改动基准电压，若将＋5V调高至5.2V，即调高了4％，因此基准电压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)维护电路的规划
一般集成电源都设有过流维护，VICOR电源VI－200系列设有过流、过压和过热维护；但VI－J00系列无过压维护，若要设置过压维护可如图4所示来完成。
当＋5V过压时，可运用＋15V使晶闸管导通，使光电耦合器饱满导通，然后关掉N1DC/DC改换器的禁止门，使输出电压为零。
防雷击维护，可在输入端加瞬变电压吸收二极管(TVS)。
(5)热规划
电源的散热规划是可靠性规划的重要组成部分。功用优秀的电源模块，也有将近20％的功率损耗，这将发生很多的热量，如何将这些热量传递出去是热规划的首要使命。抗恶劣环境核算机一般都选用密封的规范机箱，热的传递方法首要是传导。电源模块发生的热量从模块的基板经触摸面传到散热器(板)上，热量传过两者之间的触摸面将使温度下降，热规划的使命之一是将这种温度下降到最小程度，行将基板的热量尽量多的传递到散热器(板)上。假如将触摸面模型化为“热阻”(θbs)，也便是要将θbs减小到最小程度。基板温度(Tb)等于触摸面温度与散热器(板)的温度(Ts)之和。触摸面的温降值等于电源的功率损耗(Pdiss)与触摸面热阻(θbs)的乘积。即
Tb=Ts＋Pdiss×θbs(7)
VICOR电源的最高作业温度(指基板温度)别离为85℃(VI－200)和100℃(VI－J00)。例如，在实际作业环境温度最高为60℃时，要操控基板温度低于85℃(如70℃)，运用式（7）核算公式求出触摸热阻θbs。
设输出最大功率POM=135W
转化功率η=82％
图4过压维护电路
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减小的方法是加大触摸面，改进触摸面的粗糙度，并运用导热胶或VICOR供给的热护垫(GRAFOIL)。当触摸面的粗糙度≤5‰英寸，并运用热护垫，可使θbs≤0.1℃／W。
(6)电磁兼容性规划
电磁兼容性规划是一门牵涉面较广的技能，就电源的EMC规划而言首要有以下办法：
①在输入端加EMI滤波器是必要的，但有必要规划或购买适用于该体系的滤波器，才干按捺传导搅扰，到达预期意图。
②尽量选用V%&&&&&%OR前端模块AIM(沟通输入)和IAM(直流输入)，它们都具有按捺EMI的功用。
③尽量削减输出电压的纹波和噪声。可选用LC滤波或加纹波衰减模块RAM。
④在输入线之间加电容和在输入、输出端子与基板间加%&&&&&%，可别离按捺常模搅扰和共模搅扰。
⑤屏蔽杰出是削减电磁辐射的有用办法。
(7)其他可靠性规划办法
图5电源体系框图
对印制板的规划要求有：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采样线分隔接到插头处；尽量防止在模块底部走线；尽量将插头上的插针全用上，削减触摸电阻，这对大电流输出的电源更为重要。电源体系框图如图5所示。
