摘 要：為滿足空空導(dǎo)彈引戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)電源的要求，根據(jù)引戰(zhàn)系統(tǒng)各供電電壓的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低紋波DC/DC開關(guān)電源。開關(guān)電源模塊電路采用單端反激式的隔離型DC/DC變換器，通過外圍電路的多重濾波技術(shù)及PCB板的布局設(shè)計(jì)將電壓紋波減小到10mV以內(nèi)，有效地降低了噪聲對(duì)引戰(zhàn)系統(tǒng)的影響，滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；低紋波電源；EMI濾波器；X電容

中圖分類號(hào)：TJ43+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2013）04-0061-04

DesignofLowRippleDC/DCSwitchPowerfor AirtoAirMissileFuze

SUNLuoke

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Inordertomeettherequirementsofairtoairmissilefuzetopower，alowrippleDC/DC switchpowerisdesigned.ThemodulecircuitofswitchpowerbasesonisolatedsingleendflybackDC/DC converter.Therippleofvoltageisdecreasedtoless10mVbywaysofmultifiltertechnologyinperipheral circuitandPCBlayoutdesign，whichcanreducethenoiseinfuzesystemeffectivelyandcanreachthedesignrequirements.

Keywords：switchpower；lowripplepower；EMIfilter；Xcapacitance

0 引 言

空空導(dǎo)彈引戰(zhàn)系統(tǒng)是一種響應(yīng)速度快、靈敏度高的探測系統(tǒng)，對(duì)于電源電路有著較高的要求，同時(shí)其自身組成復(fù)雜，需要多種供電電壓，而普通的電池電源無法完全滿足整機(jī)的使用要求，這就需要設(shè)計(jì)一種二次電源電路，將引戰(zhàn)系統(tǒng)電池提供的電壓轉(zhuǎn)換成滿足各個(gè)分組件要求的高精度、低紋波、穩(wěn)定、可靠的電壓。本文根據(jù)引戰(zhàn)系統(tǒng)各供電電壓的特點(diǎn)，對(duì)開關(guān)電源供電電路進(jìn)行低紋波電路設(shè)計(jì)。

噪聲大是開關(guān)電源普遍存在的問題，目前現(xiàn)有的電源產(chǎn)品紋波一般在30～50mV，無法滿足引戰(zhàn)系統(tǒng)的要求，這就需要設(shè)計(jì)出一種低紋波的開關(guān)電源模塊。

1.2 開關(guān)電源原理

DC/DC開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過對(duì)輸出電壓幅度采樣、反饋，控制開關(guān)管輸出脈沖信號(hào)的占空比來調(diào)整輸出電壓，而開關(guān)管的開關(guān)頻率則是開關(guān)電源紋波噪聲的主要來源。

DC/DC開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖2所示，其中DC/DC變換器包括電子開關(guān)和整流濾波電路，開關(guān)占空比控制電路包括放大器、脈寬調(diào)制電路及驅(qū)動(dòng)器。輸入電壓經(jīng)過輸入濾波電路后開啟電子開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，整流濾波電路將脈沖整流成直流電壓輸出。對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并與參考電壓進(jìn)行比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制，再經(jīng)過開關(guān)占空比控制電路控制電子開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。

在電源電路中設(shè)計(jì)了一種低紋波DC/DC開關(guān)電源模塊，該模塊屬于隔離型DC/DC變換器。隔離型DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為全橋、半橋、推挽、正激和反激等幾種。由于反激結(jié)構(gòu)電路簡單，所需要的元器件最少，有利于小型化，且適用于50W以下功率的電源，所以設(shè)計(jì)的電源模塊選擇了反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而反激電路峰值電流大的缺點(diǎn)則可以通過元器件選擇時(shí)充分降額的方式克服。同時(shí)，為了避免引戰(zhàn)系統(tǒng)回波信號(hào)的帶寬與開關(guān)頻率范圍接近，導(dǎo)致開關(guān)噪聲進(jìn)入信號(hào)的通帶內(nèi)干擾信號(hào)，需要盡可能地提高開關(guān)頻率。但是隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)增加，從而降低電源效率。這就需要在選取合適頻率的同時(shí)，對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)。

電路原理框圖如圖4所示，采用單端反激式結(jié)構(gòu)，由高頻變壓器、功率開關(guān)管（VMOS）、脈沖調(diào)制單元（PWM）、整流電路、濾波電路、取樣比較電路、光耦隔離電路等組成。

其工作原理如下：輸入電壓經(jīng)過供電電路給PWM單元供電，使PWM工作輸出高頻脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，使變壓器工作于高頻狀態(tài)，通過高頻變壓器把能量傳遞到次級(jí)，經(jīng)整流濾波，輸出直流電壓。輸出電壓經(jīng)取樣比較電路產(chǎn)生的反饋控制信號(hào)通過光電隔離反饋電路送到PWM單元，控制PWM單元的脈沖脈寬，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

考慮到輸入電壓有一定的波動(dòng)范圍，為了提高產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性，輔助供電電路將輸入電壓進(jìn)行線性穩(wěn)壓后再給PWM控制器供電。反激式變換器的變壓器功率開關(guān)管需承受較高的電壓應(yīng)力，至少為輸入電壓最大值的1.5倍，而且開關(guān)管在DC/DC變換器中作為開關(guān)器件，工作在高頻時(shí)存在開關(guān)損耗和上升沿、下降沿尖峰。因此，為保證產(chǎn)品正常工作，選用耐壓值至少高于100V的功率開關(guān)管。同時(shí)功率開關(guān)管在DC/DC變換器中相對(duì)其他器件而言，功耗較大，為提高產(chǎn)品的效率，選用了導(dǎo)通電阻較小、上升沿和下降沿較小的功率開關(guān)管。

輸出濾波電路采用半波整流方案，為了減小紋波電壓采用了共模濾波、二次濾波電路及調(diào)整匝數(shù)比，如圖5所示。

開關(guān)電源電路在設(shè)計(jì)的過程中雖然選用的模塊已經(jīng)盡可能地抑制紋波，但是由于后續(xù)電路設(shè)計(jì)以及線束的使用會(huì)對(duì)紋波有一定的放大作用，這就需要在模塊的外圍電路采取進(jìn)一步的措施來抑制干擾。

濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對(duì)開關(guān)電源電磁干擾信號(hào)（EMI）的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號(hào)均可以用差模和共模信號(hào)來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低，所造成的影響較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的影響較大。

EMI電源濾波器與DC/DC電壓變換器搭配使用可以將DC/DC電壓變換器與輸入電源部分進(jìn)行隔離，從而有效抑制DC/DC器件產(chǎn)生的噪聲串?dāng)_到輸入電源中。圖6為電源系統(tǒng)中選用的EMI濾波器的差模抑制曲線。從圖中可以看出，該EMI濾波器對(duì)于200kHz以上的紋波具有較高的差模抑制，可以濾除絕大多數(shù)輸入電源及電路系統(tǒng)本身帶來的噪聲。

EMI濾波器放置位置的不同對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)所帶來的影響也會(huì)不同。本電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的模塊輸出紋波較低，輸入端帶來的干擾可能對(duì)模塊本身及后續(xù)電路造成影響。圖7為EMI濾波器放置位置對(duì)比電壓紋波波形圖。

從圖7可以看出，EMI濾波器放置于輸出端時(shí)，與模塊自身的紋波相比沒有明顯的變化，而EMI濾波器放置于輸入端對(duì)紋波的抑制效果明顯，峰峰值降低了13mV。以上數(shù)據(jù)可以證明，該電源系統(tǒng)對(duì)于開關(guān)電源模塊，輸入端干擾的大小決定了輸出端紋波的大小，所以設(shè)計(jì)時(shí)將EMI濾波器放置于模塊的輸入端。

在開關(guān)電源模塊工作時(shí)，模塊殼體受開關(guān)頻率的影響存在一定的噪聲干擾，會(huì)影響模塊的輸入與輸出電壓。為減小干擾，將開關(guān)模塊的殼體與EMI濾波器的殼體相連接，將噪聲導(dǎo)入EMI濾波器進(jìn)行濾波，輸出電壓紋波如圖8所示。從圖中可以看出紋波基帶明顯減小，這是因?yàn)闅んw上的噪聲通過EMI濾波器后大部分高頻噪聲被濾除，紋波整體能量被抑制。此時(shí)的開關(guān)頻率與模塊不接觸EMI濾波器時(shí)相比，峰峰值有所增加。這是因?yàn)殚_關(guān)頻率噪聲通過EMI殼體傳入到模塊輸入端，與自身的開關(guān)頻率疊加造成的。

PCB板的布局設(shè)計(jì)也可以控制紋波。該電源系統(tǒng)PCB板采用4層板設(shè)計(jì)并采用大面積地線覆銅，其中間的電源層與底層可形成電容形式，在一定程度上降低供電電源與地之間的噪聲。為減小電壓傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲，PCB板的整體走線均采用線寬1.5mm左右的連接線，對(duì)于電流相對(duì)較大的線路采用線寬2mm的連接線。在該系統(tǒng)中對(duì)于噪聲較大的信號(hào)及高頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將濾波電容盡可能地靠近器件，充分起到濾波效果。

5 結(jié) 論

引戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)開關(guān)噪聲比較敏感，對(duì)紋波控制要求較高，所以該電源系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)過程中，在滿足使用要求的前提下盡可能地降低紋波。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了新型的低紋波電源模塊，在外圍電路中采取了多種濾波措施，首次使用了X電容消除差模干擾，并將開關(guān)電源輸出地線與系統(tǒng)電源輸入地隔離，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低噪聲的設(shè)計(jì)效果。

同時(shí)PCB板的布局設(shè)計(jì)也可以控制紋波，采用了如高頻信號(hào)的隔離、增大電源線的寬度、大面積的覆銅、多層板設(shè)計(jì)等措施來減小噪聲的干擾。

該系統(tǒng)經(jīng)過一系列的環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，紋波均在10mV以內(nèi)，由此可以證明該電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，濾波措施有效。

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