某型弹载二次电源设计

摘要：介绍某型导引头二次电源设计方案，详细给出分析过程，理论分析该设计选取的接地方式，且通过结构设计减小线损降低压降。综合考虑完全使用线性稳压电源、开关稳压电源或者复合型设计等方案，通过分析各种方案的优缺点和可行性，该二次电源将采用线性集成稳压电源与DC—DC结合进行设计。实践表明该设计有较高的效率，可满足各组件的用电需求。
关键词：二次电源；开关电源；接地；线性稳压电源

电源是一切电子设备的动力源，是保证电子设备正常工作的基础部件。据相关统计，电源故障约占电子设备征集故障率的40％～50％。为此，对电源必须提出一些基本要求，包括实用性能要求和电气性能要求。对于弹载二次电源更是如此，一定要考虑细致，除了满足供电能力以外还要考虑其接地方式、效率、开关电源与线性电源的取舍情况。

1 二次电源基本要求
1．1 高的可靠性
平均无故障时间MTBF是衡量电源可靠性重要指标，在通用标准中规定，可靠性指标大于等于3 000 h是最低要求。
1．2 高的安全性
设计制造出的开关电源，应符合相关标准或规范中规定的安全指标要求，如散热要求，抗电强度要求，防人身触电要求等，以防止在极限状态或者恶劣环境条件下，出现电源故障危及人身和设备安全。
1．3 好的可维修性
电源出现故障时，应能及时诊断出故障现象及部位，并且可以有效地解决故障或者更换故障模块。

2 二次电源设计思路
弹载电源由于其空间和系统性要求，需要二次电源设计的小型化、电磁兼容性好，DC—DC效率高，可以满足各个组件的用电需求，线性集成稳压电源的测试和调试相对简单，如果两者结合对产品的后续阶段设计提供了方便。综合考虑线性稳压电源、开关稳压电源或者复合型设计等方案，分析各种方案的优缺点和可行性后，此二次电源将采用线性集成稳压电源与DC—DC结合进行设计，也就是复合型设计。采用该设计有比较高的效率，可满足各组件的用电需求，对于纹波要求比较高的供电电路采用线性稳压电源。

3 二次电源具体设计分析
3．1 电源接地设计
设计电源还有个重点也是难点，就是接地。接地从字面来十分简单，但是对于经历过电磁干扰挫折的人来说可能是一个最难掌握的技术。实际上，在电磁兼容设计中，接地是最难的技术。面对一个系统，没有一个人能够提出一个绝对正确的接地方案，多少会遗留一些问题。造成这种情况的原因是接地没有一个系统的理论或模型，人们在考虑接地时只能依靠过去的经验或从书上看到的经验。但接地是一个十分复杂的问题，在其他场合很好的方案在这里不一定最好。关于接地设计在很大程度上依赖设计师的直觉，也就是他对“接地”这个概念的理解程度和经验。接地的方法很多，具体使用那一种方法取决于系统的结构和功能。
3．1．1 单点接地
单点接地有单元电路的、电路问的和设备间的单点接地。如图1所示为单点接地示意图。其优点是可以抑制传导干扰。单点接地时，由于各电路和设备都接在一个接地点上，从而消了信号地系统中的干扰电流的闭合回路。设备地上的干扰电压也不会通过接地电路进入信号电路。这样的接地使用导线长，接地线本身的阻抗可观，对于高频信号接地效果不好。当接线长度达到1／4信号波长或其奇数倍时，地线阻抗变得很高，它就不是接地线而更像是辐射天线。

3．1．2 多点接地
在多点接地系统中，各电路和设备有多点并联接地。因为可以就近接地，接地导线短，可以减少高频驻波效应。但这种接地方法出现了多个地回路。公共地中的50 Hz市电容易经公共地回路耦合到信号回路中去。工程实践表明，如能将电源和信号的回流线分开，强信号和弱信号的回流线分开，微弱信号和火工品信号等敏感信号采用单独的回流线，就会大大减少的回路引起的干扰。图2所示为多点接地示意图。
3．1．3 混合接地
混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图3所示的混合接地。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。图3所示为混合接地示意图。

实际应用中，信号频率低于1 MHz时，采用单点接地；高于10 MHz时，多点接地；频率在1～10 MHz之间时，如果接地线长度大于1／20波长，采用单点接地；否则，应采用多点接地。该弹载二次电源是低频电路，所以选择单点接地，并且设计电路板时也要注意地线尽量宽并且走直线，保证接地干净。
3．2 电源切换设计
因产品在工作时包括“预热”与“准备”，正常工作时仅包括“预热”，所以还要设计电源切换部分，见图4。
电源在预热状态时，27 V电源的瞬态电流达到5．6 A；在准备状态时，27 V预热和28．5 V准备同时供电，电流达到5．25 A；在脱离载机后，电源为单一28．5 V准备供电，电流达到5．25 A。根据电压和电流特性，选取的二极管应满足额定电流大，反向工作电压高，满足使用要求，其封装容易安装，并且安装在放置舱壳体上利于二极管的散热。
3．3 线性稳压电源电路设计
该电源中有12 V电源，主要为几个微波组件供电，对电源纹波水平要求较高，为了满足要求充分利用线性电源的优势，特选择线性稳压电压电路进行设计。此处不给具体数值，仅举例说明选取合适的电容对消除纹波的影响，如图5所示。

在电源输入端接入了一个限流保护电阻，用于降低集成稳压器的压降，减少集成稳压器自身的功耗，提高模块的效率，同时对模块进行瞬时短路的电流保护。输入／输出端接入电容C起到了滤波并改善负载瞬时效应的作用，从而降低输出纹波。电路中所有集成稳压器选用固定正压输出系列。在输入电压30 V上叠加一个交流分量后观察输出情况，该处输出纹波大小是重点，所以一定要选择合适电容进行滤波，是否使用合适电容输出纹波区别很大，分别如图6，图7所示。

3．4 开关电源电路设计
该电源也使用了DC—DC模块电路，在此对其优缺点进行分析，并且提出解决办法，此处不给出具体数值，仅做原理分析。如图8所示。
该电路是一个比较典型的开关电源电路，其最大的优点就是效率高，电路采用的模块能达到90％的利用率。开关电源的最大缺点是输出纹波较大，除了输入整流脉动成分外，主要是开关频率基波纹波，呈锯齿波状，同时还有功率开关管在导通一截止过渡状态产生的尖峰开关噪声重叠在锯齿波上，用示波器观察输出纹波，当扫描频率低时，可能只观察到整流脉动的低频成分，开关频率基波纹波被低频所调制。观察基波纹波，扫描频率应与开关频率相匹配，如图9所示。

对此采取解决办法就是在输出端口增加滤波电容，并且PCB板布线时，输出铜线尽可能宽，且线间距不宜过大，输出并联电容应尽可能与模块电源靠近，以降低干扰。

4 关键技术及解决途径
主要就是关于滤波的问题，无论线性电源还是开关电源，输出纹波过大都是不愿意见到的问题。解决这个问题除了从原理上增加滤波电容外，还要利用实际工程经验，比如PCB板布线尽量宽，间距尽量小，输出电容与模块尽量靠近，这些都会对减小纹波能有很大的帮助。还有就是实际工程中遇到的问题，导引头二次电源中部分电路输出电流较大，要选择合适的集成稳压电源，同时还要考虑其效率以及散热问题。目前，线性集成稳压器产品种类多，其体积小，稳定性好，精度高，噪声小，纹波抑制性强，电磁兼容性好。但是其效率较低，是散热较大的功率器件。借鉴以前的经验，线性电源部分放置在放置舱表面，DC—DC模块位于电子舱内部用于向处理机供电，集成稳压器外围电路元器件较少，集成稳压器和外部器件分开放置设计，之间用导线连接。

5 结语
该设计方案中关键元器件均选用成熟产品，质量可靠；同时充分考虑接地、滤波、空间、散热和电磁兼容性设计。这使得二次电源设计简洁，所用元器件数量少，体积小，最终能达到输出纹波小，稳压特性好，并且设计装配调试容易，满足后续工程化要求。