摘 要:彈上二次電源設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了全彈能否完成預(yù)定功能。根據(jù)某型彈上二次電源設(shè)計(jì)要求，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用自激推挽式直流變換器和串聯(lián)調(diào)整混合型電源，對(duì)電源工作的穩(wěn)定性、抗干擾性、可靠性進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)成功的二次電源穩(wěn)定性好，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用效果良好。該設(shè)計(jì)采用的方法在工程上具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:二次電源; 自激推挽; 串聯(lián)調(diào)整; 抗干擾設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0036-03

Design for Secondary Electric Source

WANG Peng-hui

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Abstract: The quality of the secondary electric source on missile determines whether the intended functions of a missile can be implemented or not. The circuit frame is analyzed according to the design requirements. The hybrid electric source of self-oscillatory push-pull converter and serial voltage regulation circuit was adopted. The stability， anti-interference and reliability were designed attentively. The designed product works well. The design methodology in engineering has a very high practical value.

Keywords:secondary electric source; self-oscillatory push-pull; serial voltage regulation circuit; anti-jamming design

二次電源將彈上一次電源(熱電池、渦輪電機(jī)等)所提供的+28 V直流電源變換成彈上探測(cè)系統(tǒng)、信息處理、驅(qū)動(dòng)控制等分系統(tǒng)所需要的各種電壓。電壓質(zhì)量的好壞，對(duì)不同部件工作的穩(wěn)定性和可靠性將產(chǎn)生重要影響[1]。同時(shí)，由于彈上電源工作環(huán)境較為惡劣，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，必須考慮電源工作溫度環(huán)境、電磁兼容環(huán)境，同時(shí)保證較高的可靠性[2]。本文通過分析某產(chǎn)品彈上二次電源的設(shè)計(jì)要求，成功設(shè)計(jì)了某型二次電源，在性能滿足要求的同時(shí)，達(dá)到了較高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性。

1 設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)要求輸出正電壓有高壓+150 V，低壓+6 V，+12 V等，負(fù)壓-6 V，-12 V等，高壓供給探測(cè)系統(tǒng)，±6 V供給預(yù)處理電路，±12 V供給信息處理電路。因此高壓150 V和±6 V要求電壓穩(wěn)定度高、輸出紋波(峰峰值)低，同時(shí)要求較低的硬件成本。為了達(dá)到規(guī)定的要求，對(duì)高壓輸出、負(fù)電壓輸出部分前級(jí)采用DC/DC，后級(jí)采用線性串聯(lián)調(diào)整電路;對(duì)低壓輸出的正電壓直接采用線性串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電路。

1.1 主電路分析

1.1.1 DC/DC

它激式變換器由振蕩級(jí)和輸出級(jí)組成，效率高、適用于大功率電源，但電路復(fù)雜、硬件成本高;自激推挽式變換器[3-4]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓穩(wěn)定、效率較高、硬件成本低、應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)中DC/DC部分采用自激推挽式變換器。

1.1.2 直流穩(wěn)壓電路

由于要求電壓的穩(wěn)定度高、輸出紋波非常低，因此直流變換器后端必須采用穩(wěn)壓系數(shù)大、紋波抑制比高的濾波電路。但是，當(dāng)對(duì)紋波要求較嚴(yán)時(shí)，采用多極濾波器不能達(dá)到很好的效果;通常情況下，需要采用直流穩(wěn)壓器[5]。本設(shè)計(jì)中采用串聯(lián)調(diào)整晶體管穩(wěn)壓電路。

1.2 電磁兼容設(shè)計(jì)分析

電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)主要指+28 V直流系統(tǒng)正常電壓瞬變特性和正常工作穩(wěn)態(tài)電壓特性[6]，通過合理設(shè)計(jì)寬范圍電壓輸入和抗寬脈沖低壓和高壓性能設(shè)計(jì)可以滿足要求，這里主要指抗干擾性能分析。

二次電源在DC/DC變換過程中容易形成各種干擾噪聲，產(chǎn)生嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，直接影響了不同電源輸出的供電質(zhì)量。需要采取幾方面的措施:首先，在電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮整體屏蔽設(shè)計(jì)和各功能模塊的功能分割;其次，為減小輸入噪聲和阻止二次電源向輸入電源反饋的噪聲，設(shè)計(jì)輸人和輸出濾波電路;最后，考慮接地設(shè)計(jì)，減小接地電阻和接合面的接觸電阻[7]，形成低阻抗電流通路。

1.3 可靠性設(shè)計(jì)分析

1.3.1 元器件選用

選用可靠性高的元器件，進(jìn)行二次篩選試驗(yàn)，并進(jìn)行降額設(shè)計(jì)[8]。

1.3.2 三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)，通過對(duì)印制板及組件表面涂覆專用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性;變壓器、電感應(yīng)進(jìn)行浸漆，以防潮氣進(jìn)入。

1.3.3 熱設(shè)計(jì)分析

熱設(shè)計(jì)是利用熱傳遞特性，通過附加的冷卻措施，控制電子設(shè)備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過降額后規(guī)定的最高允許工作溫度[9]。在彈上電源中，首先選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目;其次，確定主要發(fā)熱單元，確定傳熱途徑，采用電源內(nèi)部的熱交換機(jī)制，采用傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，將電源內(nèi)部多余的熱量轉(zhuǎn)移;最后，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率。

2 電源組成及工作中需要解決的問題

2.1 電源組成

二次電源組成框圖見圖1。+28 V輸入首先經(jīng)過獨(dú)立的濾波電路，一路直接進(jìn)行串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓，經(jīng)過濾波電路輸出+12 V，+6 V以穩(wěn)壓后濾波前的+12 V為源，經(jīng)過二級(jí)串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓、濾波輸出;另外一路經(jīng)過自激推挽振蕩電路進(jìn)行DC/AC變換，產(chǎn)生一路高壓和一路負(fù)電壓，高壓由整流濾波電路進(jìn)行AC/DC變換輸出+170 V左右的高壓，經(jīng)高壓串聯(lián)調(diào)整電路和高壓濾波電路輸出+150 V，負(fù)電壓由整流濾波電路進(jìn)行AC/DC變換、串聯(lián)調(diào)整電路、濾波電路輸出-12 V，同樣-6 V由-12 V調(diào)整穩(wěn)壓后得到。

圖1 二次電源組成

2.2 自激推挽變換器存在的問題

圖2所示為自激推挽式變換器電路圖。

圖2 自激推挽式變換器電路圖

2.2.1 晶體管同時(shí)導(dǎo)通

自激推挽式變換器是由自激的方式產(chǎn)生方波，V3，V4 交替飽和導(dǎo)通，理論上其高低電平之間的轉(zhuǎn)換在時(shí)間上是完全一致的;實(shí)際上由于晶體管存貯時(shí)間的作用，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的情況，導(dǎo)通時(shí)間(1～2 μs)雖然很短，但由于變壓器的作用，造成本應(yīng)截止的晶體管產(chǎn)生高頻尖峰損耗。尖峰損耗造成的平均功率可使管子結(jié)溫升高到損壞點(diǎn)，產(chǎn)生二次擊穿而損壞管子。因此，要保證自激推挽變換器穩(wěn)定工作，必須避免兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通。

(1) 縮短晶體管的存貯時(shí)間。

應(yīng)避免管子進(jìn)入深度飽和，可以縮短存貯時(shí)間，V1，V2使晶體管避免進(jìn)入深度飽和。當(dāng)晶體管一旦進(jìn)入飽和區(qū)后，V1，V2就把基極的激勵(lì)電流向集電極分流而使基極電流不再增加，這樣就防止了晶體管進(jìn)入深飽和，從而減小了存貯時(shí)間。

(2) 用RC電路延遲導(dǎo)通。

圖2中，C3和R4(C5和R5)接于晶體的基極與地之間，當(dāng)一個(gè)管子的基極處于脈沖的上升沿時(shí)，由于電容的充電過程而使基極達(dá)到導(dǎo)通的時(shí)間被延遲，從而避開了另一個(gè)管子截止時(shí)的存貯時(shí)間。

2.2.2 吸收尖峰

由于變壓器的兩個(gè)初級(jí)線圈之間存在漏感[10]，當(dāng)一個(gè)初級(jí)線圈中的電流突然降到零時(shí)，存儲(chǔ)在這部分漏感中的磁能只能向分布電容充電，因而晶體管從飽和轉(zhuǎn)為截至?xí)r，會(huì)在截止晶體管的集電集和發(fā)射集之間造成瞬間過壓，所以推挽式變換器的輸出波形上一般都帶有尖峰，尖峰寬度與漏感、集電集電流、集電集電壓上升時(shí)間、電流下降時(shí)間有關(guān)。減小這個(gè)尖峰，不但可以保護(hù)晶體管，還可以使輸出電壓紋波峰值減小。

(1) 采用RC緩沖電路。

RC電路在信號(hào)去耦電路、小電流濾波電路應(yīng)用較多，可以起到平滑尖峰的作用。R6，C4的時(shí)間常數(shù)略小于晶體管存儲(chǔ)時(shí)間，遠(yuǎn)小于振蕩脈沖寬度，可以使尖峰電壓減小，從而保護(hù)晶體管。

(2) 變壓器繞線方式。

變壓器線圈的分布電容和漏感對(duì)變換器的工作狀態(tài)有很大影響。采用雙線并繞的繞線方式，利于繞組間更好的耦合，降低漏感和分布電容的要求。

2.3 串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電路存在的問題

圖3為串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電路圖。

圖3 串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電路圖

2.3.1 基準(zhǔn)電壓

基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度實(shí)際上是電源穩(wěn)定度的極限值，若要獲得較高的穩(wěn)壓電源穩(wěn)定度，必須使基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度比所要求的電源穩(wěn)定度高一個(gè)數(shù)量級(jí)[11]，因此選用穩(wěn)定性高和溫漂低的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器非常重要，可以選取溫度系數(shù)及動(dòng)態(tài)電阻都很小的雙向硅穩(wěn)壓基準(zhǔn)源。

2.3.2 調(diào)整管熱擊穿問題

采用復(fù)合管(圖3中V12，V13)作調(diào)整管時(shí)，為了防止由于三極管的Iceo過大引起的熱擊穿[12]，必須在保證三極管最高結(jié)溫時(shí)，Icbo能夠泄放掉，圖3中R15就是需要的泄放電阻。

2.4 抗干擾及可靠性

在功能分割上，將串聯(lián)調(diào)整電路和自激推挽電路及變壓器物理隔離，同時(shí)輸出級(jí)盡量遠(yuǎn)離推挽電路;保證印制板地和電源殼體盡量大面積接觸，電源殼體和大地面接觸。

在結(jié)構(gòu)上，將易發(fā)熱器件直接固定在電源外殼上;內(nèi)部發(fā)熱器件通過印制板上大面積覆銅進(jìn)行散熱，同時(shí)

印制板布線盡量寬。

3 結(jié) 語(yǔ)

彈上二次電源雖然較多采用了模塊化的線性或開關(guān)電源，但設(shè)計(jì)原理是相同的。通過對(duì)二次電源的設(shè)計(jì)分析，可以掌握彈上電源設(shè)計(jì)方法、故障分析方法，以及可靠性設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等方法。本設(shè)計(jì)研制成功的彈上二次電源，通過了電磁兼容試驗(yàn)、各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)，電壓穩(wěn)定度、輸出紋波達(dá)到了非常高的要求，實(shí)用性強(qiáng)，在整機(jī)應(yīng)用上取得了較好效果。

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