林海青，方文逸，劉樹(shù)展

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIS)是一種船舶導(dǎo)航設(shè)備，由主機(jī)、顯示終端(KDU)以及船用VHF天線組成，配合全球定位系統(tǒng)(GPS)將航向、航線、航速、航名、吃水、危險(xiǎn)貨物等船舶信息向附近水域的船舶及岸臺(tái)廣播，同時(shí)在電子海圖上可視化顯示附近的船舶信息[1，2]。

考慮到海上無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射接收應(yīng)答，AIS電源對(duì)靈敏度、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)都有較高要求，同時(shí)在啟動(dòng)發(fā)射功能時(shí)需要的功率較大，所以在要求電源輸出大電流的同時(shí)，對(duì)電源的電磁兼容要求比較高。

本文選用雙通道單路可關(guān)斷使能的開(kāi)關(guān)電源控制器MC34065，選取合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的PCB布局避免兩路輸出互相干擾，使用濾波器過(guò)濾紋波，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)該電源性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 技術(shù)指標(biāo)

AIS電源的具體技術(shù)指標(biāo)如下：

1)輸入電源:標(biāo)稱(chēng)值24 V(DC)，極端條件下為24 V(DC) +10%/-20%；

2)輸出電源：

輸出電源1: +13 V±0.25 V，紋波≤20 mV，最大負(fù)載電流6 A(發(fā)射時(shí)) 5%占空比，最長(zhǎng)130 ms；

輸出電源2：+5 V±0.05 V，紋波≤10 mV，最大負(fù)載電流2 A；

3)適應(yīng)環(huán)境:溫度范圍-15 ℃～+55 ℃ (工作狀態(tài)),-55 ℃～+85 ℃ (存儲(chǔ)狀態(tài))；

4)具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2．1 控制芯片選型

綜合具體技術(shù)指標(biāo)的要求，5 V回路精度要求高，13 V回路輸出電流大，且紋波要求小。擬采用兩路單獨(dú)的PWM反饋方式較為合適，若使用兩路UC3842電源控制集成電路的方式，兩路不同振蕩頻率間的拍頻干擾會(huì)使輸出回路的紋波變大，同時(shí)也會(huì)使電源的電磁兼容EMC劣化。雖然采用兩路UC3842可以外時(shí)鐘同步運(yùn)行方式來(lái)解決拍頻干擾的問(wèn)題，但會(huì)使電路設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，影響可靠性。為此，我們采用同一時(shí)鐘頻率下的高性能雙通道電流方式控制器MC34065[3]的設(shè)計(jì)。

MC34065是高性能、固定頻率、雙電流模式控制器，是為離線及直流到直流轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，通過(guò)最少的外部元件，提供給設(shè)計(jì)者一種經(jīng)濟(jì)的實(shí)用手段。這些集成電路具有下述特性:適于精確占空比限定及頻率控制的單值振蕩器、溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)、兩個(gè)高增益誤差放大器、兩個(gè)電流傳感比較器、驅(qū)動(dòng)輸出的激活引腳以及適合于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的兩個(gè)高電流推挽輸出端[4]。另外,本器件保護(hù)特性包括:帶滯后的輸入及帶滯后的基準(zhǔn)欠壓鎖定、接周期的限流、以及每個(gè)輸出端用于單個(gè)脈沖計(jì)數(shù)的鎖存器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 MC34065結(jié)構(gòu)框圖

高性能雙通道電流方式控制器MC34065可以看成是由單一頻率下的兩片UC3844電流方式控制器構(gòu)成的。需要指出的是MC34065第14腳驅(qū)動(dòng)輸出使能，可以控制13 V高功率發(fā)射模塊的供電電路，使AIS電源在系統(tǒng)接收無(wú)線信號(hào)時(shí)關(guān)斷，以減少發(fā)射回路的干擾，同時(shí)也降低了電源電路的待機(jī)功耗[4]。因此，MC34065是一款特別適合AIS電源控制要求的開(kāi)關(guān)電源芯片。

2.2 電源拓?fù)湓O(shè)計(jì)

(1)正激式變換器

圖2 正激式變換器

正激式變換器如圖2所示，其工作原理如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)能量通過(guò)變壓器耦合和二極管VD向次級(jí)傳遞，同時(shí)電感L儲(chǔ)能；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L中的能量使續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通，從而向負(fù)載釋放能量[5]。N3通過(guò)VD2釋放變壓器磁心中的剩磁能量，防止磁飽和。正激式變換器常用于輸出大電流的場(chǎng)合，但需要較大的儲(chǔ)能電感。

(2)反激式變換器

反激式變換器如圖3所示。反激式變換器的變壓器相當(dāng)于一對(duì)相互耦合的儲(chǔ)能電感線圈，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD截止，初級(jí)線圈N1開(kāi)始儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，N1使次級(jí)線圈N2產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使得VD導(dǎo)通，能量向負(fù)載供應(yīng)[5]。反激式變壓器的缺點(diǎn)是，當(dāng)輸出電壓較大時(shí)，N1線圈上會(huì)根據(jù)變壓器匝比產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使開(kāi)關(guān)管承受較大的電壓應(yīng)力。

圖3 反激式變換器

AIS電源主要根據(jù)兩路負(fù)載的具體要求，采用與以往不同的設(shè)計(jì)方式，5 V回路功率比較小，采用隔離單端反激式變換電路；13 V功率比較大，無(wú)線電信號(hào)發(fā)射時(shí)電流達(dá)6 A，采用單端正激式變換電路，電源的原理圖如圖4所示。

2.3 紋波抑制

由于AIS電源的特殊性，對(duì)于無(wú)線電接收機(jī)來(lái)說(shuō)它的紋波要求特別小，所以我們?cè)陔娫吹妮敵龆瞬捎糜蓛杉?jí)差模電容和一級(jí)共模電感構(gòu)成的濾波器，進(jìn)一步降低輸出紋波電壓的同時(shí)，又在輸出端加入平衡雙線濾波器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BDL濾波器)[6]。

圖4 原理圖

BDL濾波器是一種采用獨(dú)特專(zhuān)利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的EMC濾波器，擁有全頻段優(yōu)異特性，可代替多種濾波器的解決方案。其器件符號(hào)如圖5所示。圖6為BDL濾波器與片式多層陶瓷電容器(MLCC)的濾波效果對(duì)比，可見(jiàn)BDL濾波器可以明顯減小紋波。

圖5 BDL濾波器符號(hào)

圖6 BDL濾波器濾波效果同MLCC對(duì)比

另外，在繪制AIS電源印刷線路板時(shí)，嚴(yán)格按照開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在放置元器件時(shí)充分考慮電磁元件的相互干涉性，輸入輸出工作回路有效面積最小，精心排布將電源輸出紋波降低到最小，以滿(mǎn)足用戶(hù)需要，器件排布如圖7所示。

圖7 AIS電源元器件排列圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作完成樣機(jī)后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)關(guān)管波形如圖8所示，其中CH1(下方)為5 V反激式波形，CH2(上方)為13 V正激式波形。輸出紋波分別如圖9、圖10所示，5 V輸出紋波為5.15 mV，13 V輸出紋波為19.2 mV。

圖8 開(kāi)關(guān)管波形

圖9 5 V回路紋波

圖10 13 V回路紋波

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了AIS船載通訊設(shè)備對(duì)于電源的EMC和輸出能力的要求，通過(guò)橫向?qū)Ρ冗x取了合理的電源拓?fù)?，并通過(guò)控制芯片的驅(qū)動(dòng)控制功能、設(shè)計(jì)濾波器、加入BDL濾波器、合理化PCB排布等方式盡可能降低紋波。實(shí)驗(yàn)證明，該電源的性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，具有較好的工程價(jià)值。