空空导弹引战系统低纹波DC/DC开关电源设计
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摘 要：为满足空空导弹引战系统对电源的要求，根据引战系统各供电电压的特点，设计了一种低纹波dc/dc开关电源。开关电源模块电路采用单端反激式的隔离型DC/DC变换器，通过电路的多重滤波技术及PCB板的布局设计将电压纹波减小到10mV以内，有效地降低了噪声对引战系统的影响，满足了设计要求。
关键词：开关电源；低纹波电源；EMI滤波器；X电容
中图分类号：TJ43+1 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）04-0061-04
DesignofLowRippleDC/DCSwitchPowerfor AirtoAirMissileFuze
SUNLuoke
（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Inordertomeettherequirementsofairtoairmissilefuzetopower，alowrippleDC/DC switchpowerisdesigned.ThemodulecircuitofswitchpowerbasesonisolatedsingleendflybackDC/DC converter.Therippleofvoltageisdecreasedtoless10mVbywaysofmultifiltertechnologyinperipheral circuitandPCBlayoutdesign，whichcanreducethenoiseinfuzesystemeffectivelyandcanreachthedesignrequirements.
Keywords：switchpower；lowripplepower；EMIfilter；Xcapacitance
0 引 言
空空导弹引战系统是一种响应速度快、灵敏度高的探测系统，对于电源电路有着较高的要求，同时其自身组成复杂，需要多种供电电压，而普通的电池电源无法完全满足整机的使用要求，这就需要设计一种二次电源电路，将引战系统电池提供的电压转换成满足各个分组件要求的高精度、低纹波、稳定、可靠的电压。本文根据引战系统各供电电压的特点，对开关电源供电电路进行低纹波电路设计。
噪声大是开关电源普遍存在的问题，目前现有的电源产品纹波一般在30～50mV，无法满足引战系统的要求，这就需要设计出一种低纹波的开关电源模块。
1.2 开关电源原理
DC/DC开关电源采用功率半导体器件作为开关，通过对输出电压幅度采样、反馈，控制开关管输出脉冲信号的占空比来调整输出电压，而开关管的开关频率则是开关电源纹波噪声的主要来源。
DC/DC开关电源的基本构成如图2所示，其中DC/DC变换器包括电子开关和整流滤波电路，开关占空比控制电路包括放大器、脉宽调制电路及驱动器。输入电压经过输入滤波电路后开启电子开关产生脉冲信号，整流滤波电路将脉冲整流成直流电压输出。对输出电压进行采样，并与参考电压进行比较，误差电压经过放大及脉宽调制，再经过开关占空比控制电路控制电子开关产生信号的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
在电源电路中设计了一种低纹波DC/DC开关电源模块，该模块属于隔离型DC/DC变换器。隔离型DC/DC变换器的拓扑结构主要分为全桥、半桥、推挽、正激和反激等几种。由于反激结构电路简单，所需要的元器件最少，有利于小型化，且适用于50W以下功率的电源，所以设计的电源模块选择了反激式拓扑结构。而反激电路峰值电流大的缺点则可以通过元器件选择时充分降额的方式克服。同时，为了避免引战系统回波信号的带宽与开关频率范围接近，导致开关噪声进入信号的通带内干扰信号，需要尽可能地提高开关频率。但是随着开关频率的增加，开关损耗也会相应增加，从而降低电源效率。这就需要在选取合适频率的同时，对开关频率进行滤波设计。
电路原理框图如图4所示，采用单端反激式结构，由高频变压器、功率开关管（VMOS）、脉冲调制单元（PWM）、整流电路、滤波电路、取样比较电路、光耦隔离电路等组成。
其工作原理如下：输入电压经过供电电路给PWM单元供电，使PWM工作输出高频脉冲驱动信号，驱动功率开关管，使变压器工作于高频状态，通过高频变压器把能量传递到次级，经整流滤波，输出直流电压。输出电压经取样比较电路产生的反馈控制信号通过光电隔离反馈电路送到PWM单元，控制PWM单元的脉冲脉宽，从而使输出电压保持稳定。
考虑到输入电压有一定的波动范围，为了提高产品的抗干扰能力和可靠性，辅助供电电路将输入电压进行线性稳压后再给PWM控制器供电。反激式变换器的变压器功率开关管需承受较高的电压应力，至少为输入电压最大值的1.5倍，而且开关管在DC/DC变换器中作为开关器件，工作在高频时存在开关损耗和上升沿、下降沿尖峰。因此，为保证产品正常工作，选用耐压值至少高于100V的功率开关管。同时功率开关管在DC/DC变换器中相对其他器件而言，功耗较大，为提高产品的效率，选用了导通电阻较小、上升沿和下降沿较小的功率开关管。
输出滤波电路采用半波整流方案，为了减小纹波电压采用了共模滤波、二次滤波电路及调整匝数比，如图5所示。
开关电源电路在设计的过程中虽然选用的模块已经尽可能地抑制纹波，但是由于后续电路设计以及线束的使用会对纹波有一定的放大作用，这就需要在模块的电路采取进一步的措施来抑制干扰。
滤波是抑制干扰的一种有效措施，尤其是对开关电源电磁干扰信号（EMI）的传导干扰和辐射干扰。任何电源线上的传导干扰信号均可以用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低，所造成的影响较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的影响较大。
EMI电源滤波器与DC/DC电压变换器搭配使用可以将DC/DC电压变换器与输入电源部分进行隔离，从而有效抑制DC/DC器件产生的噪声串扰到输入电源中。图6为电源系统中选用的EMI滤波器的差模抑制曲线。从图中可以看出，该EMI滤波器对于200kHz以上的纹波具有较高的差模抑制，可以滤除绝大多数输入电源及电路系统本身带来的噪声。
EMI滤波器放置位置的不同对于整个系统所带来的影响也会不同。本电源系统设计中选用的模块输出纹波较低，输入端带来的干扰可能对模块本身及后续电路造成影响。图7为EMI滤波器放置位置对比电压纹波波形图。
从图7可以看出，EMI滤波器放置于输出端时，与模块自身的纹波相比没有明显的变化，而EMI滤波器放置于输入端对纹波的抑制效果明显，峰峰值降低了13mV。以上数据可以证明，该电源系统对于开关电源模块，输入端干扰的大小决定了输出端纹波的大小，所以设计时将EMI滤波器放置于模块的输入端。
在开关电源模块工作时，模块壳体受开关频率的影响存在一定的噪声干扰，会影响模块的输入与输出电压。为减小干扰，将开关模块的壳体与EMI滤波器的壳体相连接，将噪声导入EMI滤波器进行滤波，输出电压纹波如图8所示。从图中可以看出纹波基带明显减小，这是因为壳体上的噪声通过EMI滤波器后大部分高频噪声被滤除，纹波整体能量被抑制。此时的开关频率与模块不接触EMI滤波器时相比，峰峰值有所增加。这是因为开关频率噪声通过EMI壳体传入到模块输入端，与自身的开关频率叠加造成的。
PCB板的布局设计也可以控制纹波。该电源系统PCB板采用4层板设计并采用大面积地线覆铜，其中间的电源层与底层可形成电容形式，在一定程度上降低供电电源与地之间的噪声。为减小电压传输过程中产生的噪声，PCB板的整体走线均采用线宽1.5mm左右的连接线，对于电流相对较大的线路采用线宽2mm的连接线。在该系统中对于噪声较大的信号及高频信号进行隔离，并将滤波电容尽可能地靠近器件，充分起到滤波效果。
5 结 论
引战系统对开关噪声比较敏感，对纹波控制要求较高，所以该电源系统整体设计过程中，在满足使用要求的前提下尽可能地降低纹波。系统设计中采用了新型的低纹波电源模块，在电路中采取了多种滤波措施，首次使用了X电容消除差模干扰，并将开关电源输出地线与系统电源输入地隔离，实现了系统低噪声的设计效果。
同时PCB板的布局设计也可以控制纹波，采用了如高频信号的隔离、增大电源线的宽度、大面积的覆铜、多层板设计等措施来减小噪声的干扰。
该系统经过一系列的环境试验验证，纹波均在10mV以内，由此可以证明该电源系统设计合理，滤波措施有效。
参考文献：
[1]徐海明，刘璐，沈琼.现代电源应用技术手册[M].北京：中国电力出版社，2007.
[2]周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用技术―――设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[3]PressmanAI，BillingsK，MoreyT.开关电源设计[M].王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2006.
[4]张兵，白雪.抑制开关电源纹波的研究[J].宜宾科技，2011（1）.
[5]朱庆.论开关电源EMC产生机理及设计[J].现代商贸工业，2011（13）.