航天科工慣性技術(shù)有限公司 趙振江 王 燁 靳本豪 胡立慶

1 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 開(kāi)關(guān)電源的基本組成

直流開(kāi)關(guān)電源的基本組成如圖1所示。功率的變換主要是通過(guò)電子開(kāi)關(guān)和高頻變壓器來(lái)完成，把直流的輸入電壓變成受控制的、符合設(shè)計(jì)要求的高頻方波電壓。高頻方波電壓再經(jīng)過(guò)整流濾波后變成符合要求的直流輸出電壓。直流輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣，通過(guò)反饋控制電路生成具有一定占空比的高頻脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)其占空比就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，從而得到穩(wěn)定輸出電壓。

目前，所用開(kāi)關(guān)電源基本能滿足用戶要求，但是也存在一些不足：變壓器漏感大，電磁干擾較大，對(duì)用戶設(shè)備可能有影響；整流二極管導(dǎo)通壓降大，損耗大。承受反向電壓大，對(duì)其有一定破壞性；輸出濾波采用鉭電容，承受較大沖擊電流和紋波電壓。ESR較大，溫升高，損耗大；電源的散熱性能較差，容易導(dǎo)致局部溫升過(guò)高而損壞器件；電磁兼容性差。針對(duì)目前直流開(kāi)關(guān)電源存在不足，本文主要從開(kāi)關(guān)電源主要器件選型和參數(shù)以及工藝方面進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 變壓器優(yōu)化

在開(kāi)關(guān)電源中，變壓器主要起電氣隔離、能量傳輸?shù)淖饔茫悄芰孔儞Q的核心器件。開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)考慮的因素很多，比如磁芯材料特性、工作頻率的影響、輸送功率大小、導(dǎo)線趨膚效應(yīng)、散熱條件等[1]。本文主要從磁材、磁芯結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析。

磁材選型：在高頻反激開(kāi)關(guān)電源中，可供選擇的磁材有PC40、PC44、PC50、PC95等，其中PC50在高頻300kHz時(shí)損耗明顯增加，不適合高頻應(yīng)用，而PC95的磁材價(jià)格昂貴，當(dāng)前在小功率磁芯方面未有批量化生產(chǎn)，采購(gòu)成本高、周期長(zhǎng)，因此在PC40和PC44間進(jìn)行優(yōu)化選擇，對(duì)于磁材的選擇主要關(guān)注最大BMAX、磁芯損耗以及溫度穩(wěn)定性等三個(gè)方面。通過(guò)參數(shù)對(duì)比，PC44磁材在高頻磁芯損耗略優(yōu)于PC40磁材，而在溫度穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)優(yōu)于PC40，高溫穩(wěn)定性有利于變壓器穩(wěn)定功率輸出，提高可靠性，因此將磁材優(yōu)化選擇為PC44型。

磁芯結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)優(yōu)化：罐型磁芯多適用于小功率、對(duì)電磁特性要求較高的場(chǎng)合，具有電磁特性好、窗口面積大的特點(diǎn)，因此可用罐形磁芯代替普通磁芯。在罐型變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于罐型磁芯散熱特性較差，但考慮到可利用的窗口面積變大，因此盡可能地降低銅損和鐵損，主要措施有：增加漆包線線徑，降低鐵損；提高原邊感量，降低銅損。

1.3 功率二極管的優(yōu)化

功率二極管的選型優(yōu)化。基于單端反激拓?fù)涮攸c(diǎn)，在原邊主功率器件關(guān)斷時(shí)，副邊整流二極管處于開(kāi)通狀態(tài)，流經(jīng)二極管的電流包含兩部分，一部分為輸出提供功率電流，一部分給電容提供充電電流，以12W/5V模塊為例，輸出平均電流為Io=2.4A，在二極管上的平均導(dǎo)通損耗為：P=UI，其中U為二極管導(dǎo)通壓降，在二極管上造成的損耗較為可觀。為提高效率，降低發(fā)熱量，可以選擇壓降更低的二極管。例如，VISHAY的12CWQ10FN肖特基整流二極管和MBRD835L肖特基二極管，相同工作條件下，DATASHEET提供管壓降分別為0.65V和0.41V，因此在滿足電壓、電流裕量條件下選擇MBRD835L作為整流二極管。

吸收電路。在5V輸出條件下整流二極管所承受的最大反壓為20V，為兼容在更大電流條件下使用低反向壓降的二極管，需要考慮二極管在關(guān)斷過(guò)程反向恢復(fù)電流造成的電壓尖峰，該尖峰電壓具有破壞性，需采用緩沖電路來(lái)進(jìn)行吸收[2]。考慮到吸收電路特點(diǎn)，選用原理簡(jiǎn)單的RC作為阻尼吸收。RC吸收電路工作原理，一是與二極管并聯(lián)，根據(jù)分壓原理降低二極管等效電阻，二是吸收二極管等效電路的高頻振蕩；吸收電路通常是一定范圍內(nèi)，電容越大，等效電阻越小，同時(shí)二極管端電壓越不容易引起突變，則吸收效果越明顯，但是阻容上消耗的功率也就越多，實(shí)際電路只能選取可以接受的折中參數(shù)。

1.4 濾波電容選型優(yōu)化

基于單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源電路，其輸出整流濾波通常采用CLC的濾波電路結(jié)構(gòu)。原標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)C1和C2均采用鉭電容，其中L前的電容C1承受較大的電流沖擊并生成較大的電壓紋波。在高頻開(kāi)關(guān)條件下，鉭電容的充放電特性較差，而瓷介電容具有幾乎理想的充放電特性，并可忽略自身發(fā)熱。首先排除未曾使用的CAK55高分子鉭電容，該類型電容國(guó)內(nèi)目前并未大范圍使用，而CAK45L和CAK45U進(jìn)行對(duì)比，可基本確定選用CAK45U型鉭電容，而瓷介電容在高頻濾波中作用不可或缺。

選擇不同規(guī)格的瓷介電容與C1并聯(lián)，可以提高整流管后端對(duì)高頻電流的吸收能力。而單獨(dú)采用瓷介電容時(shí)，需要選擇較大容量的電容，且需要在控制電路上進(jìn)行更改，并需要提高濾波電感L1的裕量，增加體積，因此綜合對(duì)比，選擇鉭電解電容和瓷介電容配合使用的方案比較經(jīng)濟(jì)且可以提高可靠性。

2 開(kāi)關(guān)電源工藝優(yōu)化

2.1 印制板設(shè)計(jì)優(yōu)化

元器件封裝優(yōu)化。為滿足工藝要求，元器件封裝均采用符合國(guó)軍標(biāo)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器件封裝，焊盤(pán)、過(guò)孔、間距、敷銅等符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

印制板設(shè)計(jì)優(yōu)化。在印制板設(shè)計(jì)過(guò)程中，為提高功率器件和熱敏感器件的可靠性，在敷銅、散熱導(dǎo)孔、熱絕緣等方面作了針對(duì)性設(shè)計(jì)，主要措施如下：原、副邊分區(qū)域設(shè)計(jì)，確保原、副邊通過(guò)印制板寄生電容耦合干擾最??；散熱導(dǎo)孔設(shè)計(jì)，在功率器件主MOSFET和副邊整流二極管焊盤(pán)下增加導(dǎo)熱孔，并在另一面對(duì)應(yīng)處增加導(dǎo)熱敷銅[3]；增加內(nèi)層散熱敷銅，敷銅中按照輸入地、輸出地進(jìn)行隔離分布；電容與發(fā)熱器件間增加熱隔離區(qū)域，輸入輸出引針處采用花盤(pán)設(shè)計(jì)，提高管腳的可焊性；在印制板設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證在整機(jī)裝配時(shí)的印制板的過(guò)錫度，并同時(shí)適當(dāng)增加焊接面焊盤(pán)面積，提高可靠性。

2.2 散熱工藝優(yōu)化

溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性最重要的因素之一。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少損耗，正確選擇器件參數(shù)（電流、電壓定額。導(dǎo)通電阻以及開(kāi)關(guān)特性）和磁性元件設(shè)計(jì)，在上文已經(jīng)進(jìn)行了論述。另外，選用低功耗的器件、減少發(fā)熱器件數(shù)量，加寬加粗印制線，提高電源效率。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移。利用風(fēng)冷、液冷（水、油）、散熱器、熱管等方法進(jìn)行散熱是在更高一級(jí)系統(tǒng)中采取的措施，這里只討論電源本身的散熱方法。

導(dǎo)熱膠的選用。小功率開(kāi)關(guān)電源由于散熱方式限制，只能通過(guò)局部的傳導(dǎo)散熱，將局部熱量通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)傳遞到其他部位，利用導(dǎo)熱膠進(jìn)行散熱是一種較好的方式。導(dǎo)熱膠的選型就顯得尤為重要。導(dǎo)熱膠的選用需綜合考慮其導(dǎo)熱系數(shù)、硬度、膨脹率、穩(wěn)定性、存儲(chǔ)時(shí)間等因素，并且對(duì)其常溫固化時(shí)間有一定要求，不能低于4h，方便在灌封流程中多次少量灌膠。

熱性能測(cè)試。為了驗(yàn)證電源模塊散熱性能，對(duì)現(xiàn)有5W電源模塊進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)性能測(cè)試，同一模塊單元在灌膠前后轉(zhuǎn)換效率不變，表明前后發(fā)熱量相同，而采用導(dǎo)熱膠以及封殼后，相當(dāng)于增加了模塊的熱容，在相同的密閉散熱條件下，從理論上分析，灌封模塊平均溫度和局部熱點(diǎn)溫度均應(yīng)降低。灌封前由于電源板與外殼僅通過(guò)引針進(jìn)行接觸，此時(shí)會(huì)有較少的熱量通過(guò)傳導(dǎo)至金屬殼，灌封前試驗(yàn)時(shí)金屬殼溫升小，可以認(rèn)為此時(shí)為裸板散熱。利用熱成像儀對(duì)電源灌封前后進(jìn)行了溫度對(duì)比，效果如圖2至圖3所示。

灌封后的溫度在三個(gè)溫度值附近均有降低，并且最高溫度有較大幅度地降低，符合理論分析。灌膠和金屬殼在散熱方面主要作用就是將局部熱源平均分布到整板部位，降低了主要熱源溫度，提高了可靠性。

3 開(kāi)關(guān)電源電磁兼容優(yōu)化

電磁兼容性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有三個(gè)方面：一個(gè)是采用各種方法盡可能的抑制電磁干擾的產(chǎn)生，比如抑制振蕩頻率等；二是提高抗干擾能力；三是切斷、消除或削弱耦合途徑。合理的設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、布局和布線，對(duì)改善EMC起著決定性的作用。

3.1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

在電源的組成電路中，有許多不同的電路單元，如開(kāi)關(guān)主電路、控制單元、保護(hù)單元等。這些單元如果布局不合理，會(huì)影響電源系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性及系統(tǒng)整體抗干擾能力。將不同功能的電路放在不同的屏蔽腔內(nèi)，布局比較理想。分區(qū)布局的原則為：開(kāi)關(guān)電源與數(shù)字電路、模擬電路分區(qū)；弱信號(hào)單元與強(qiáng)信號(hào)單元分區(qū)；數(shù)字單元與模擬單元分區(qū)；電路性質(zhì)差異大的單元分區(qū)；開(kāi)關(guān)電源的主功率部分和控制信號(hào)部分盡可能分開(kāi)。

3.2 電磁屏蔽

對(duì)于一個(gè)已經(jīng)完成的電源，為了減小其對(duì)外部影響，需要對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽。對(duì)現(xiàn)有的電源模塊進(jìn)行封殼處理，可使其對(duì)外干擾大大降低。對(duì)5W模塊的封殼前后輻射值進(jìn)行測(cè)量，殼體為高等級(jí)外殼，測(cè)試頻段為0～10MHz，探頭距離模塊分別為1cm，結(jié)果如圖4至圖6所示。

圖4 5W模塊無(wú)殼測(cè)試（電路板裸露，1cm）

通過(guò)圖4、圖5對(duì)比可以看出，封殼之后的輻射值在各個(gè)頻段較封殼之前較大幅度衰減。圖6為使用工業(yè)等級(jí)殼體的電源模塊封殼后測(cè)試結(jié)果。與圖5相比，屏蔽效果不理想。通過(guò)上面對(duì)模塊封殼前后在各頻段的輻射量對(duì)比，采用高等級(jí)模塊外殼的屏蔽效果較好。同時(shí)，對(duì)工業(yè)級(jí)外殼封殼模塊進(jìn)行測(cè)試，工業(yè)級(jí)模塊與高等級(jí)模塊在輻射方面主要差異為，模塊屏蔽效果和變壓器屏蔽效果不同，因此基于罐型變壓器和高等級(jí)外殼的電源模塊在輻射電磁兼容方面有優(yōu)異表現(xiàn)。

圖5 5W模塊封殼測(cè)試（1cm）

圖6 5W模塊工業(yè)等級(jí)外殼封殼后測(cè)試（1cm）

綜上所述，本文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源中影響較大的幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的性能和可靠性。