彈用小型化計算機(jī)電源

1引言

彈用小型化計算機(jī)電源就是在原型號基礎(chǔ)上減小電源體積、重量，作為彈上小型控制計算機(jī)的配套電源。在不降低可靠性指標(biāo)及電性能指標(biāo)的前提下，如何減小電源體積、重量是該項目的主要工作內(nèi)容。根據(jù)彈上計算機(jī)對電源的技術(shù)指標(biāo)要求，采用電流型單端反激式DC/DC變換器的技術(shù)方案。它具有輸入電壓范圍寬，動態(tài)響應(yīng)性能好，適合多路電壓輸出及電路簡單的特點;采用表面貼裝元件，有效減小了電源的體積和重量;功率器件直接貼裝在鋁基PCB板上，散熱效果好，能有效降低電源溫升，從而提高電源的可靠性。

2小型化計算機(jī)電源的主要特點

(1)變換頻率高

電源工作頻率為200kHz,可以減小輸出濾波電容器，縮短響應(yīng)時間，便于實現(xiàn)電源的小型化。

(2)工作電壓范圍寬

輸入直流電壓為2040V，電源均能可靠工作。

(3)元件片式化

80%元件采用表面貼裝型式，有效減小了電源的體積和重量。

(4)使用大容量多層瓷介電容器

開關(guān)電源輸出濾波電容器選擇無極性、低阻抗、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、高頻性能好于鉭電解電容器的無機(jī)介質(zhì)多層瓷介電容器，在同等容值時，瓷介電容器的串聯(lián)等效電阻比鉭電解電容器小，固有諧振頻率比鉭電解電容器高，紋波小，濾波效果好。

(5)體積小、重量輕、效率高

電源共有7路電壓輸出，效率達(dá)75%，重500g，外型尺寸為174mm×96mm×35mm;電源的體積、重量和效率與進(jìn)口模塊電源組合的同等功率電源相當(dāng)。

(6)使用電流控制型變換器

電流控制型變換器與電壓控制型相比，由于具有輸入電壓的前饋控制，使開關(guān)電源具有良好的開環(huán)線性調(diào)整率;消除了輸出濾波電感器帶來的極點和系統(tǒng)的二階特性;具有最佳的大信號特性;固有的脈沖電流限制簡化了過載保護(hù)電路和短路保護(hù)電路。1977年，有關(guān)電流控制的論文首次發(fā)表。近年來，各種電流控制IC相繼面世。美國UNITRODE公司生產(chǎn)100種PWM電路，其中75種是電流控制模式(CURRENTMODE)。電流控制模式已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源。

(7)采用單面覆銅鋁基PCB

所有發(fā)熱的功率器件都直接貼焊在PCB上，散熱效果好，能有效降低電源溫升，從而提高電源可靠性;單面覆銅鋁基PCB板還作為電源的上蓋板，可節(jié)省空間，降低電源高度。單面覆銅鋁基PCB板的厚度可達(dá)到1.62mm，無需特別加固就能達(dá)到抗沖擊及抗震動要求。覆銅鋁基PCB板已在模塊電源中廣泛采用，其生產(chǎn)工藝與普通單面PCB板基本相同。

圖1電源結(jié)構(gòu)框圖

3電路方案

3?1變換器頻率的選擇

變換器的工作頻率與開關(guān)穩(wěn)壓器的性能指標(biāo)有著直接的關(guān)系。當(dāng)頻率低于20kHz時，電源性能較差，紋波大，瞬態(tài)響應(yīng)時間長，體積和重量也增加，還發(fā)出討厭的交流聲。當(dāng)頻率高于50kHz，對改善開關(guān)穩(wěn)壓器的性能有利，可以降低紋波，縮短響應(yīng)時間，進(jìn)一步減小體積和重量。但也帶來某些缺點，如射頻干擾大，對開關(guān)晶體管、高頻變壓器、電容器和扼流圈的高頻性能提出更高的要求，而且，要制作低壓大電流電源，在電路技術(shù)上也增加了困難。在我國現(xiàn)有元器件的條件下，其工作頻率選取100kHz～200kHz較為適合。這屬于超聲范圍，沒有令人討厭的交流聲。并且在體積、重量、紋波、瞬態(tài)響應(yīng)和成本等方面的性價比還是較好的，能滿足許多電子設(shè)備(如大、中型電子計算機(jī))的要求。經(jīng)試驗，單端反激變換器工作頻率選在200kHz是目前較好的方案。當(dāng)然，隨著元器件水平的提高和電路技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的工作頻率也會相應(yīng)提高。

3?2電路形式的選擇

單管式電路與推挽式、橋式電路相比，具有電路簡單、元器件少等特點，并且不存在晶體管的"共態(tài)導(dǎo)通"和變壓器的"單向偏磁"等問題。只是單個電路的輸出功率較小，并且其變壓器鐵芯的磁特性只用了1個象限。所以，小功率輸出的電源，可選用單管式變換器電路，可有效減小電源體積、重量及降低成本。目前，國內(nèi)外大部分小功率模塊電源都采用電流型單端反激式變換器。

在推挽式、半橋式和全橋式電路中，中等功率輸出的電源可選用半橋式電路或推挽式電路;大功率輸出的電源可選用全橋式電路。半橋式電路對功率晶體管的耐壓要求較低，但電流要求大;其所用功率變壓器的鐵芯沒有"單向偏磁"現(xiàn)象，只是要用兩個作為輸入低頻濾波又可流過高頻電流的高壓大容量電容器。推挽式電路對功率晶體管的耐壓要求高，而電流可以小些。全橋式電路需要4個功率晶體管，電路較為復(fù)雜，元器件較多，只有在大功率輸出情況下采用這種方案。應(yīng)當(dāng)指出，在某些功率較大的應(yīng)用中，也可采用單管式電路的功率重疊方案。電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

彈用計算機(jī)電源+5V1的負(fù)載電流大，作為整機(jī)對外供電電源，其負(fù)載電流變化范圍較大，其輸出功率也較大，因此，+5V1與B+5V共用一個變換器。兩路輸出的精度要求(±5%)并不高，即使不用3端穩(wěn)壓器，也可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)所要求的穩(wěn)壓精度。±24V、±15V及+5V2電源本身共地，共用1個變換器。

DC/DC變換器采用美國UC公司生產(chǎn)的UC1842PWM芯片控制的電流型單端反激式電路。UC1842啟動電流低(0.5mA)，具有脈沖電流限制功能，控制線路功耗小，簡單可靠。單端反激式變換器適用于多路輸出小功率開關(guān)電源，各路輸出交叉調(diào)整率小，輸入電壓適應(yīng)范圍寬，所用器件少，可有效減小電源的體積、重量。變換器工作頻率選用200kHz。

3?3器件選擇

選擇器件時應(yīng)考慮兩方面的因素。第一是其質(zhì)量等級，第二是器件本身的物理特性。由于本電源用在彈上，其質(zhì)量等級要求高，進(jìn)口器件如PWM電路UC1842、光電耦合器HCPL5501及電壓基準(zhǔn)TL431等用883B級標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)器件選用七專產(chǎn)品。就器件的物理方面考慮，用于開關(guān)電源，主要是高頻特性，溫度特性及體積因素等。

電源的功率變壓器選用日本TDK公司生產(chǎn)的PC44?EPC19表面貼裝鐵氧體磁芯，高度只有9.9mm，PC44鐵氧體材料的高頻損耗小，居里溫度可達(dá)230℃，完全滿足要求。輸出電容器選用高頻特性好的多層瓷介電容器和表貼型固體鉭電容器。這兩種電容器也是國外模塊電源所采用的。目前，國內(nèi)的成都宏明電子公司已有多層瓷介電容器的七專產(chǎn)品，4326廠也有表面貼裝型固體鉭電容器的七專產(chǎn)品。在國外，KEMET公司也有符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。其余電阻器及無極性電容器選用表貼型，有效減小了PWM控制電路的體積。

3?4結(jié)構(gòu)考慮

電源采用兩層電路板，下層印制板主要實現(xiàn)輸入、輸出濾波入接口功能，采用雙面板結(jié)構(gòu)，器件以插裝型為主。上層板主要實現(xiàn)功率變換功能，采用單面覆銅鋁基板，器件以表面貼裝型為主。采用鋁基板表面貼裝有散熱好、表貼元器件引線短、干擾小及節(jié)省空間的優(yōu)點。上下板之間通過專用的接插件進(jìn)行聯(lián)接，拆裝方便，易于維修。[!--empirenews.page--]

4單端反激式高頻變壓器的設(shè)計

在單管式電路中，高頻變壓器只利用鐵心磁特性的一個象限，磁通不是從-Bm變到到+Bm，即不以磁特性曲線的原點對稱工作，所以單管式電路中變壓器的設(shè)計屬于不對稱工作的設(shè)計。

對于以可變頻率工作的反激式變換器，在功率晶體管導(dǎo)通其間變壓器增加的能量，在周期的其余時間全部傳送給負(fù)載，其輸入功率計算公式是：

從這個公式可以得出計算反激式變換初級繞組電感L1的公式：

(1)

由于反激式變換器必須兼有變壓器和電感器功能，所以還必須滿足一般變壓器的計算公式：

(2)

式中，W1初級繞組匝數(shù)，Ui為輸入直流電壓(V)，Ton為導(dǎo)通持續(xù)時間(s)，S為鐵心截面積(cm2)，Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(G)，Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(G)。

由下式：

可得：

IP1L1=UiTon

代入式(2)可得：

(3)

為了使鐵心不致飽和，還必須滿足下式：

(4)

式中，H為磁場強(qiáng)度，lC為鐵心平均磁路長度(cm)，W1為初級繞組線圈，IP1為初級最大電流(A)，Hmax為鐵心允許使用的最大不飽和磁場強(qiáng)度。

對于固定頻率工作的反激式變換器，在(1-δ)T期間，次級繞組的能量未能全部釋放完，此剩余能量必然在δT期間反映到初級繞組上。因此在初級繞組中具有初始電流IP0，一般取IP1/IP0=2，這樣，在δT期間初級繞組電流的變化量為：

所以，

(5)

因此，在Ton期間，初級繞組電感器上增加的能量為：

(6)

輸出功率為：

(7)

初級繞組電感為：

(8)

綜上所述，設(shè)計步驟可歸納如下：

首先根據(jù)給定的輸出功率，預(yù)選某種尺寸的鐵心，再由式(8)計算出所需的初級繞組的電感值L1。

然后由式(5)計算出IP1值，并把IP1值和L1值代入式(3)，求出初級繞組的匝數(shù)。

最后由式(4)校驗H值是否滿足H≤Hmax，如滿足，則可進(jìn)一步計算次級繞組的匝數(shù)和校驗鐵心窗口的面積等步驟。

5結(jié)束語

目前，對該彈用小型化計算機(jī)電源單獨做過高低溫試驗，隨整機(jī)做過例試、綜合環(huán)境試驗及可靠性增長試驗，其性能得到初步驗證。今后還需要做片式化元件儲存防護(hù)和可靠性研究工作，在電源的抗振動極限、工作環(huán)境溫度極限等方面做必要的試驗以獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)。另外，也要盡早開展功率器件在單面覆銅鋁基板上的SMT生產(chǎn)工藝研究工作。