范存鈺

（中電科西安導(dǎo)航技術(shù)有限公司，陜西 西安 710068）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備對于電源的性能及功能要求越來越高。最開始人們普遍使用線性電源，線性電源的優(yōu)點是“安靜”，因為其工作的頻率較低，所以既沒有噪聲問題，也不會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI），但是線性電源由于同功率下體積大、調(diào)整率差、效率低等性能問題，不能滿足電子設(shè)備向精細(xì)化、集成化發(fā)展，因此人們逐漸將目光投在了開關(guān)電源上。開關(guān)電源因其前端使用的高頻開關(guān)代替了線性電源使用的低頻變壓器而得名，作為目前人們最優(yōu)先選擇的電源，其在航空航天、通信、儀器儀表、工業(yè)制造、醫(yī)療器械以及人們常用的家電方面，都發(fā)揮著十分重要的作用。同時，人們對于電源的需求也隨著時代的發(fā)展而增加。從最初的穩(wěn)壓輸出開始，人們希望開關(guān)電源能夠在有限的空間內(nèi)具有更高的輸出功率，更好的效率，更豐富的輸出路數(shù)以及更完備的軟件控制。

1 概要

本文中根據(jù)某項目電子系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要實現(xiàn)輸入交流電壓：198～242V；輸出九路直流電壓/電流；電壓調(diào)整率2%以下，電流調(diào)整率3%以下，效率83%以上，功率因數(shù)99%以上；具備輸入過欠壓保護，輸出過欠壓保護，短路保護，過溫保護等功能；在80℃高溫下能夠正常工作；向檢視的上位機發(fā)送報文，報文內(nèi)容需包括電源各路的工作情況及狀態(tài)等；開關(guān)電源的尺寸要求長寬高不得超過220mm× 180mm× 45mm。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 電路設(shè)計方案概述

硬件設(shè)計：由外界輸入電源的220V 交流電在經(jīng)過整流之后得到300V 直流電，此時我們有兩種選擇：第一種是將300V 直流電直接一對一通過九個反激式開關(guān)電源拓?fù)潆娐?，轉(zhuǎn)化為我們需要的九路輸出；第二種是將300V 直流電先通過一個反激式電路轉(zhuǎn)化為低壓的28V 直流電，再由28V 直流電通過一對一的九個反激式電路轉(zhuǎn)化為我們需要的九路電源輸出?？紤]到反激式電路自身電壓電流輸出特性一般，對開關(guān)管的占空比調(diào)整及整流管的要求較高，若直接由300V 直流電進行轉(zhuǎn)化，像3.3V/5A，5V/2A 等這種的低功率輸出的電特性會難以滿足要求，因此我們選擇第二種設(shè)計思路進行設(shè)計。

軟件設(shè)計：設(shè)定好每一路的基準(zhǔn)值，電源的輸出電壓電流經(jīng)過精密采樣電阻采樣得到的數(shù)值，與基準(zhǔn)值進行比對。若無誤，則以報文形式發(fā)送“正確”；若有誤，則以報文形式發(fā)送“故障”，并標(biāo)明故障發(fā)生在哪一路輸出上。

2.2 電路設(shè)計原理方框圖

電路流程圖如圖1 所示。

圖1 電路流程圖

2.2.1 電網(wǎng)濾波電路：消除電網(wǎng)干擾。在公共電網(wǎng)上存在這各種形式的干擾，除了供電中斷可以被人為明顯察覺出以外，絕大多數(shù)干擾都是不容易被人們察覺的。然而，正是由于這種不易察覺的干擾對正常運行的電器電子設(shè)備存在著嚴(yán)重的威脅，輕則使通訊中斷數(shù)據(jù)丟失，重則會燒毀電子設(shè)備。因此，有效的減小電網(wǎng)干擾對電源的正常工作運行十分重要。為滿足EMI 要求，必須在電源收入后加入電網(wǎng)濾波電路。

2.2.2 PFC 電路：PFC 的全稱為“Power Factor Correction”，功率因數(shù)是指有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值?；旧瞎β室驍?shù)可以衡量電力被有效利用的程度。

經(jīng)過電網(wǎng)濾波電路之后，接入整流橋，將220V 交流電整流為300V 直流電。在整流橋后加入大容量電容，使得整流后的直流波形更加平滑，為保證電源在空載斷電后電容能夠快速放電，在電容的兩端并聯(lián)一個電阻。

在整流后進入PFC 電路。此處采用了主動式PFC，通過專用IC 去調(diào)整電流的波形，對電流電壓之間的相位差進行補償，可以達到99%的功率因數(shù)，大大提高了效率。同時，主動式PFC 輸出的直流電壓紋波很小，后面不需要才用體積巨大的濾波電容，既縮小了電源整體的體積，也保證了二級DC-DC 的輸入端能夠獲得較為平穩(wěn)的直流電。

2.2.3 一級DC-DC：將通過PFC 的高壓直流電轉(zhuǎn)化為28V直流電。此處使用反激式開關(guān)電源電路。相對于此次設(shè)計，反激式開關(guān)電源具有以下優(yōu)點，第一，反激式開關(guān)電源的拓?fù)浜唵危啾扔谡な介_關(guān)電源，反激式開關(guān)電源少用了一個大容量儲能濾波電容和整流二極管，大大節(jié)省了空間；第二，反激式開關(guān)電源不需要磁芯復(fù)位繞組，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，反激式變換器的儲能被釋放到負(fù)載，磁芯自然復(fù)位；第三，反激式開關(guān)電源的電壓器不僅具有儲能功能，還可具有電壓變換和隔離功能，非常適合功率小，路數(shù)多的電源設(shè)計。

2.2.4 二級DC-DC：將28V 直流電轉(zhuǎn)為九路需要的直流電，所有輸出出之間相互隔離。所有輸出隔離的主要原因有以下三點，第一點，電源的隔離耐壓又叫抗電強度，隔離是為了防止人員受到物理和電氣傷害，其中包括避免人受到電擊傷害、物理傷害、爆炸等傷害。第二點，隔離電源輸入與輸出隔離分開，在電源產(chǎn)品出現(xiàn)異常時，可起到對后級負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)的保護作用，避免其受到電擊傷害、物理傷害、爆炸傷害等。第三點，隔離電源去除隔離電路之間的接地環(huán)路，可切斷共模、浪涌等干擾信號的傳播路徑，有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響，能提高共模干擾抑制性能和抗干擾能力。

2.2.5 后級濾波：讓輸出的波形更加平滑。開關(guān)電源由于其開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，所以在輸出會產(chǎn)生高頻諧波，影響后面電子設(shè)備的使用，因此在開關(guān)電源的輸出應(yīng)做好濾波的處理。開關(guān)電源的工作頻率越高，其體積就越小。開關(guān)電源的工作頻率從幾十KHz 到幾MHz 不等。在開關(guān)電源中，電容的ESR 直接影響到電容的效果，它比電容器的容量還要重要，當(dāng)工作頻率提高時（幾百KHz），電容的容量會急劇降低，甚至根本起不到電容的作用。

在濾波時我們常用LC 電路濾波，由于這種電路是非純阻性電路，兩個元器件工作在某些頻率時，電容和電感的容性和感性會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生寄生感抗和容抗，影響波形的穩(wěn)定。所以我們在選取電感與電容時，應(yīng)在他們的諧振頻率范圍之內(nèi)選取。

2.2.6 422 軟件控制：對電源總體進行監(jiān)督和控制。通過對輸入、輸出以及電源內(nèi)溫度的采樣，與基準(zhǔn)源作對比后，將電源內(nèi)部的情況統(tǒng)合成報文的形式，以422 軟件協(xié)議發(fā)出，讓人能夠在看不見摸不著電源的情況下清楚地了解電源的工作情況。

2.3 電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 概述。電源作為主要的供電單元，工作時是主要的熱源之一，而電源發(fā)熱的主要部件在每個集成電路的芯片。在電源內(nèi)部沒有風(fēng)扇及通風(fēng)口的情況下，散熱的唯一方式是自然傳導(dǎo)散熱。芯片散發(fā)的熱量通過電源殼體，再由殼體將熱量散發(fā)到空氣中。

2.3.2 問題描述。2.3.2.1 安裝空間：由于該電源是安裝在天線座內(nèi)部支架處，且周圍還安裝有其他諸如頻合器、接線端子、內(nèi)部線纜等，安裝空間狹小，安裝面無任何冷卻措施，只能通過電源模塊盒體與安裝支架進行自然傳導(dǎo)散熱。2.3.2.2 電源主要熱源：電源芯片：6W/個，共10 個，分布在印制板兩側(cè)，實現(xiàn)多路輸入、輸出；2.3.2.3 功率器件：15W，1 個；2.3.2.4 電源尺寸及內(nèi)部熱源分布：外形尺寸：長215mm× 寬162mm× 高82mm。

2.3.3 設(shè)計方案。由于電源工作條件的特殊性及安裝空間的局限性，限制了電源其他更好的散熱形式，因此只能采用自然傳導(dǎo)的方式散熱。

圖2 電源外形尺寸

經(jīng)計算，在不采用翅片的情況下，用自然傳導(dǎo)方式傳熱，求得該電源的熱流密度為0.062W/cm2，大于自然換熱所要求的熱流密度0.05W/cm2，影響電源的性能及技術(shù)指標(biāo)。

采用在盒體及盒蓋上加工出翅片，增加電源結(jié)構(gòu)件散熱面積，并使其形成自然換熱的風(fēng)道，達到散熱效果。同時為減小接觸熱阻，要求電源內(nèi)部熱沉與芯片管殼的接觸面、電源盒體與天線座側(cè)壁接觸面的表面光潔度達到3.2 微米。通過再次校核計算，增加翅片后的熱流密度為0.043W/cm2，滿足自然散熱的需求。

熱仿真分析：該電源安裝在天線座內(nèi)部，而天線座屬艙外設(shè)備，其環(huán)境溫度為+65℃（已考慮太陽輻射所造成的溫升疊加），電源芯片殼溫≤105℃，電源熱耗約75W，通過仿真找到器件穩(wěn)態(tài)溫度分布，發(fā)現(xiàn)溫度最高部位，驗證該散熱方式是否合適及需改進的部分。

如圖3 所示，電源安裝于天線座內(nèi)部支架，熱量隨圖示的空氣流向周圍空間散熱。

圖3 電源模塊的空氣流場圖

通過仿真，發(fā)現(xiàn)電源芯片殼溫都在105～106℃，15W 熱耗的功率器件最高殼溫108.85℃。產(chǎn)生原因是散熱方式及安裝位置的局限。由于是自然傳導(dǎo)散熱，翅片的換熱效率為60%左右，換熱系數(shù)小，每個電源芯片熱源部位溫升很高，達到40℃，因此電源模塊的芯片都是在高溫環(huán)境下工作，對芯片使用壽命影響較大，容易產(chǎn)生失效。

基于上述有可能造成電源失效的風(fēng)險，目前采取兩種解決方案：第一，更改安裝環(huán)境：建議用戶單位將電源安裝在空間大，空氣流動性好或用強迫風(fēng)冷的方式散熱，增加空氣的流動性，保證翅片換熱性好；第二，改進電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計：電源盒體采用均溫板加散熱翅片散熱方式，通過均溫板快速將電源芯片的點熱源擴散為面熱源，在通過翅片散熱傳遞到外部空間，從而提高電源換熱效率，同時適當(dāng)改進翅片的結(jié)構(gòu)分布及方向，使翅片方向與熱量傳遞方向一致，也可提高翅片的換熱效率。

2.4 電磁兼容設(shè)計

2.4.1 采用屏蔽措施減小電磁干擾。電源模塊為金屬盒體密閉形式，這種設(shè)計有效的屏蔽了外界對電源的電磁干擾。同時，電源模塊作為低頻干擾源，采取金屬盒體密閉形式，也有效的屏蔽了電源模塊對外界的電磁干擾。輸入輸出采用屏蔽線也減小了電磁干擾。

2.4.2 采用濾波措施減小電磁干擾。在電源模塊內(nèi)部電路設(shè)計中，在輸入端安裝交流濾波器，直流電源加濾波去耦電容，以減小電磁干擾。

2.4.3 采用其他減小電磁干擾的措施。電源采取隔離設(shè)計，將大功率信號與控制信號隔離。信號線與電源線分開走線，強電信號線與弱電信號線分開走線。采用絞合緊密的雙絞線，以抑制共地干擾及信號線、信號回線間的電磁耦合。

2.4.4 電源內(nèi)電路板布線減小干擾措施。PCB 設(shè)計的首要任務(wù)是要適當(dāng)?shù)剡x取電路板的大小，尺寸過大會因元器件之間的連線過長，導(dǎo)致線路的阻抗值增大，抗干擾能力下降;而尺寸過小會導(dǎo)致元器件布置密集，不利于散熱，而且連線過細(xì)過密，容易引起串?dāng)_。所以應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所需元件情況，選擇合適尺寸的電路板。

在確定PCB 尺寸后，應(yīng)先確定特殊元件的位置，最后根據(jù)電路的功能單元，分塊的對電路的全部元件進行布局。發(fā)熱元件應(yīng)放置在利于散熱的位置，例如PCB 的邊緣，并遠(yuǎn)離微處理器芯片；特殊的高頻元件應(yīng)緊挨著放置，以縮短他們之間的連線；敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離時鐘發(fā)生器、振蕩器等噪聲源。

本次設(shè)計采用雙面板，根本電源外殼體的大小尺寸，將電路板分為三塊，分別為：輸入板、輸出板、控制板，三個PCB 板之間使用導(dǎo)線連接。減少了使用導(dǎo)線的數(shù)量，降低了線與線之間的電磁干擾，隔離了高頻信號對低頻信號的干擾，大大提高了電源整體的抗干擾能力。