中心論題：
- 電源模塊的選型方法。
- DC/DC轉(zhuǎn)換模塊型號(hào)的選擇從哪4個(gè)方面考慮。
- 輸入，輸出電路的設(shè)計(jì)。
- 二次直流電源可靠性設(shè)計(jì)的前景分析。
解決方案：
- 把DC/DC轉(zhuǎn)換模塊密封在金屬外殼內(nèi)適應(yīng)極寬的工作溫度范圍。
- 在輸入端加反極性保護(hù)電路保證二次電源在輸入線路反接時(shí)的安全。
- 平滑電路和EMI濾波電路防止負(fù)載的電子設(shè)備出現(xiàn)故障。
引 言
航空和軍用電子設(shè)備一般是28V母線供電，需要設(shè)計(jì)二次電源為不同電路提供各種精細(xì)的直流穩(wěn)壓電源。由于電源對(duì)提高產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)二次直流電源時(shí)從DC/DC轉(zhuǎn)換模塊型號(hào)的選取和外圍電路元器件參數(shù)的選擇均應(yīng)從可靠性設(shè)計(jì)的角度考慮。詳細(xì)討論提高二次電源可靠性設(shè)計(jì)方面需考慮的問(wèn)題。
電源模塊的選型
a 確定模塊的種類(lèi)
目前，航空和軍用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的生產(chǎn)廠家很多，在用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行二次直流電源設(shè)計(jì)時(shí)，首先是根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需要確定DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的類(lèi)型。航空和軍用DC/DC電源模塊可以分為兩大類(lèi)：
(1)是經(jīng)篩選的全軍用密封DC/DC電源模塊;
(2)是準(zhǔn)軍用DC/DC電源模塊。
經(jīng)篩選的全軍用密封DC/DC電源模塊，具有很高的技術(shù)條件和很寬的溫度范圍。為了獲得較好的一致性，這類(lèi)模塊在工藝、制造、測(cè)試等方面都有非常嚴(yán)格的質(zhì)量要求。在工藝方面，這類(lèi)模塊采用混合電路工藝制作。為了使其能承受非常嚴(yán)格的環(huán)境條件，特別是- 55℃～+ 125℃極寬的工作溫度范圍，把DC/DC轉(zhuǎn)換模塊密封在金屬外殼內(nèi)。在生產(chǎn)和測(cè)試方面，每一只模塊都遵守一些嚴(yán)格的要求，這些要求主要是在美國(guó)軍標(biāo)MIL各個(gè)專門(mén)的范圍內(nèi)提出的。比如：裝備(MIL-STD-1772)；加工程序(MIL-STD-38534)；篩選(MIL-STD-883C)。當(dāng)然，這類(lèi)模塊的價(jià)格比較昂貴。在一些超過(guò)額定工作溫度或極端的機(jī)械條件的應(yīng)用中，經(jīng)篩選的全軍用密封DC/DC電源模塊很可能具有較長(zhǎng)的壽命。但是，裝在印刷電路上的高可靠電子設(shè)備，不需要嚴(yán)格遵守可靠性要求時(shí)，在目前軍用設(shè)備的價(jià)格壓力下，準(zhǔn)軍用DC/DC電源模塊是一種越來(lái)越有效的解決方案。準(zhǔn)軍用DC/DC電源模塊工作于較窄的溫度范圍(-40～+ 105℃)，根據(jù)工藝的要求，不需要采用0沁合電路，也不需要密封封裝。在生產(chǎn)和測(cè)試方面，質(zhì)量要求包括與產(chǎn)品鑒定方案一起的設(shè)備總的質(zhì)量認(rèn)證。準(zhǔn)軍用DC/DC電源模塊價(jià)格相對(duì)比較便宜。
總之，在實(shí)際設(shè)計(jì)二次直流電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，特別是使用溫度范圍，參考價(jià)格，盡量選用可靠性高的DC/DC電源模塊。
b 選擇模塊型號(hào)
DC/DC轉(zhuǎn)換模塊型號(hào)的選擇應(yīng)從4個(gè)方面考慮，即額定輸入電壓和輸入電壓范圍；所需的額定輸出電壓；輸出功率；印制電路板的尺寸。
確定電源模塊的輸入、輸出電壓后，計(jì)算負(fù)載所需的額定功率和啟動(dòng)電流。從可靠性的角度考慮，如果負(fù)載所需的啟動(dòng)電流不大于正常工作電流的120%，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊實(shí)際負(fù)載為額定負(fù)載的60%～70%比較合適。比如當(dāng)需要的實(shí)際功率為10W時(shí)，應(yīng)選擇額定功率不小于15W的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊。
如果印制電路板的尺寸不受限制，盡量選用單路輸出型模塊。
輸入電路的設(shè)計(jì)
用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)的二次電源典型輸入電路如圖1所示，主要包括輸入保護(hù)電路和濾波電路。
a 輸入保護(hù)電路
輸入保護(hù)電路一般由保險(xiǎn)絲和二極管組成。保險(xiǎn)絲F1的作用是提供安全保護(hù)。一般應(yīng)串入模塊電源的輸入端。保險(xiǎn)絲的規(guī)格一般選取1.5～2倍的額定電流，如果模塊工作在一個(gè)相當(dāng)寬的輸入電壓范圍，則保險(xiǎn)絲應(yīng)選擇2倍的額定電流。最好選擇自恢復(fù)型保險(xiǎn)絲。
為了使二次電源在輸入線路反接時(shí)不至于損壞，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在輸入端加反極性保護(hù)電路。一般由二極管組成。當(dāng)電源反接時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，則保險(xiǎn)絲F1容斷。在器件選擇上，D1的電流應(yīng)大于F1的保護(hù)電流，否則D1起不到極性保護(hù)作用。
當(dāng)二次電源是為一次使用的軍品供電時(shí)(如導(dǎo)彈)，在研制初期可以加保護(hù)電路，定型之后最好把保護(hù)電路去掉。因?yàn)檫@類(lèi)產(chǎn)品在實(shí)際使用時(shí)，保護(hù)對(duì)它不但無(wú)益，反而有害。
b 輸入濾波電路
DC/DC轉(zhuǎn)換模塊一般先把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流，容易形成各種噪聲，在輸入端表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。輸入濾波電路主要作用是減小輸入噪聲和阻止二次電源向輸入電源反饋的噪聲。輸入濾波器一般采用EMI濾波器，主要由共態(tài)扼流圈L1、跨接線路電容C1、C4以及線路高通濾波電容C2、C3組成。
L1用于濾除低頻共態(tài)噪聲，它的磁芯一般采用高頻鐵氧體磁性材料。由于鐵氧體磁性材料沒(méi)有渦流的影響，高頻率仍能保持較高的導(dǎo)磁率，缺點(diǎn)是弱磁場(chǎng)容易飽和，但是L1在繞制時(shí)采用雙線并繞的方式，即在一個(gè)閉合磁路的磁芯上繞制相同電感量的兩個(gè)繞阻，電源電流經(jīng)兩個(gè)繞阻產(chǎn)生相反磁通，相互抵消，防止磁芯飽和。對(duì)于共態(tài)噪聲。互感系數(shù)產(chǎn)生磁通相互增強(qiáng)，即電感量增強(qiáng)，能很好的抑制共態(tài)噪聲。L1的共態(tài)扼流圈的電感量一般由所要抑制的噪聲電平的下限頻率(DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的基波頻率)確定，下限頻率越高，所需要的電感量越小，粗略對(duì)應(yīng)值見(jiàn)表1。
跨接線路電容C1、C4主要用于濾除低頻正態(tài)噪聲。C4一般選取0.1～1.0uF的低阻抗無(wú)極性瓷片電容。C1除濾波作用外，當(dāng)輸入電壓由于某種原因出現(xiàn)瞬間跌落或浪涌時(shí)，也為二次電源提供一定時(shí)間的維持電壓。C1一般選擇低等效串聯(lián)電阻的電解電容。該電容的耐壓應(yīng)大于1.3倍的最大輸入電壓，最小容量可由以下公式估算：
C(UF)= 400/最小輸入電壓(V)
線路高通濾波電容C2、C3用于濾除高頻共態(tài)和正態(tài)噪聲，需要采用ESL值較小的高壓兩端子或三端子電容。三端子電容器的濾波效果非常好，原因是電容的高電位端接有輸入、輸出兩根引線，高電位端有剩余電感，此電感作為T(mén) 型低通濾波器的電感，可有效利用它作為濾波元件。C2、C3最好放在緊靠DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入端。
輸出電路
二次電源的輸出高頻噪聲(表現(xiàn)為紋波)可能向空間輻射成為輻射噪聲，過(guò)大時(shí)造成作為負(fù)載的電子設(shè)備出現(xiàn)故障。為此，二次直流電源的輸出應(yīng)包括平滑電路和EMI濾波電路。電路圖如圖2所示。
EMI濾波電路同輸入濾波電路。L3的磁芯一般采用金屬磁粉磁性材料，這種磁性材料導(dǎo)磁率高，固有阻抗低。輸出電容的耐壓一般以大于額定輸出電壓的2倍為宜。C8 的容量與負(fù)載的額定功率、要求的輸出紋波大小等有關(guān)。最小容量可由以下公式估算：C(UF)= 10×[額定功率(W)×紋波峰2峰值(mv)/輸出電壓
冗余備份設(shè)計(jì)
為提高二次電源的可靠性，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中要遵守嚴(yán)格的工藝。所用元器件嚴(yán)格按軍品條件來(lái)選用，經(jīng)過(guò)篩選后，方能裝配和調(diào)試；充分考慮熱設(shè)計(jì)，對(duì)功率器件采取必要的散熱措施；電源整機(jī)刷涂三防漆，加強(qiáng)直流電源的防蝕性和防濕性，對(duì)直流電源的元器件加強(qiáng)固定措施；直流電源要嚴(yán)格進(jìn)行老化試驗(yàn)和高、低溫試驗(yàn)。
其它可靠性措施
為提高二次電源的可靠性，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中要遵守嚴(yán)格的工藝。所用元器件嚴(yán)格按軍品條件來(lái)選用，經(jīng)過(guò)篩選后，方能裝配和調(diào)試；充分考慮熱設(shè)計(jì)，對(duì)功率器件采取必要的散熱措施；電源整機(jī)刷涂三防漆，加強(qiáng)直流電源的防蝕性和防濕性，對(duì)直流電源的元器件加強(qiáng)固定措施；直流電源要嚴(yán)格進(jìn)行老化試驗(yàn)和高、低溫試驗(yàn)。
二次直流電源可靠性設(shè)計(jì)的前景
隨著DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的不斷發(fā)展，特別是高頻化、電路集成化、計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與控制、軟開(kāi)關(guān)、同步整流、扁平變壓器和嵌入式磁元件等技術(shù)、工藝的發(fā)展和引用，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的體積將變得更小，轉(zhuǎn)換效率會(huì)更高，電子兼容性更好，可靠性更有保證，這些都勢(shì)必會(huì)推動(dòng)二次直流電源可靠性的發(fā)展。
