某产品二次电源设计

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摘 要:弹上二次电源设计的优劣直接决定了全弹能否完成预定功能。根据某型弹上二次电源设计要求,对电路结构进行分析,采用自激推挽式直流变换器和串联调整混合型电源,对电源工作的稳定性、抗干扰性、可靠性进行了详细设计。设计成功的二次电源稳定性好,可靠性高,抗干扰能力强,应用效果良好。该设计采用的方法在工程上具有较高的实用价值。

关键词:二次电源; 自激推挽; 串联调整; 抗干扰设计

中图分类号:TM91 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0036-03

Design for Secondary Electric Source

WANG Peng-hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract: The quality of the secondary electric source on missile determines whether the intended functions of a missile can be implemented or not. The circuit frame is analyzed according to the design requirements. The hybrid electric source of self-oscillatory push-pull converter and serial voltage regulation circuit was adopted. The stability, anti-interference and reliability were designed attentively. The designed product works well. The design methodology in engineering has a very high practical value.

Keywords:secondary electric source; self-oscillatory push-pull; serial voltage regulation circuit; anti-jamming design

二次电源将弹上一次电源(热电池、涡轮电机等)所提供的+28 V直流电源变换成弹上探测系统、信息处理、驱动控制等分系统所需要的各种电压。电压质量的好坏,对不同部件工作的稳定性和可靠性将产生重要影响[1]。同时,由于弹上电源工作环境较为恶劣,在达到设计要求的同时,必须考虑电源工作温度环境、电磁兼容环境,同时保证较高的可靠性[2]。本文通过分析某产品弹上二次电源的设计要求,成功设计了某型二次电源,在性能满足要求的同时,达到了较高的稳定性、可靠性和抗干扰性。

1 设计分析

系统要求输出正电压有高压+150 V,低压+6 V,+12 V等,负压-6 V,-12 V等,高压供给探测系统,±6 V供给预处理电路,±12 V供给信息处理电路。因此高压150 V和±6 V要求电压稳定度高、输出纹波(峰峰值)低,同时要求较低的硬件成本。为了达到规定的要求,对高压输出、负电压输出部分前级采用DC/DC,后级采用线性串联调整电路;对低压输出的正电压直接采用线性串联调整稳压电路。

1.1 主电路分析

1.1.1 DC/DC

它激式变换器由振荡级和输出级组成,效率高、适用于大功率电源,但电路复杂、硬件成本高;自激推挽式变换器[3-4]结构简单、输出电压稳定、效率较高、硬件成本低、应用广泛。本设计中DC/DC部分采用自激推挽式变换器。

1.1.2 直流稳压电路

由于要求电压的稳定度高、输出纹波非常低,因此直流变换器后端必须采用稳压系数大、纹波抑制比高的滤波电路。但是,当对纹波要求较严时,采用多极滤波器不能达到很好的效果;通常情况下,需要采用直流稳压器[5]。本设计中采用串联调整晶体管稳压电路。

1.2 电磁兼容设计分析

电源的电磁兼容性设计主要指+28 V直流系统正常电压瞬变特性和正常工作稳态电压特性[6],通过合理设计宽范围电压输入和抗宽脉冲低压和高压性能设计可以满足要求,这里主要指抗干扰性能分析。

二次电源在DC/DC变换过程中容易形成各种干扰噪声,产生严重的传导干扰和辐射干扰,直接影响了不同电源输出的供电质量。需要采取几方面的措施:首先,在电源结构设计时,考虑整体屏蔽设计和各功能模块的功能分割;其次,为减小输入噪声和阻止二次电源向输入电源反馈的噪声,设计输人和输出滤波电路;最后,考虑接地设计,减小接地电阻和接合面的接触电阻[7],形成低阻抗电流通路。

1.3 可靠性设计分析

1.3.1 元器件选用

选用可靠性高的元器件,进行二次筛选试验,并进行降额设计[8]。

1.3.2 三防设计

三防设计指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计,通过对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性;变压器、电感应进行浸漆,以防潮气进入。

1.3.3 热设计分析

热设计是利用热传递特性,通过附加的冷却措施,控制电子设备内部所有元器件的温度,使其在设备所处的工作环境条件下不超过降额后规定的最高允许工作温度[9]。在弹上电源中,首先选用低功耗的器件,减少发热器件的数目;其次,确定主要发热单元,确定传热途径,采用电源内部的热交换机制,采用传导、对流和辐射三种方式,将电源内部多余的热量转移;最后,加大加粗印制线的宽度,提高电源效率。

2 电源组成及工作中需要解决的问题

2.1 电源组成

二次电源组成框图见图1。+28 V输入首先经过独立的滤波电路,一路直接进行串联调整稳压,经过滤波电路输出+12 V,+6 V以稳压后滤波前的+12 V为源,经过二级串联调整稳压、滤波输出;另外一路经过自激推挽振荡电路进行DC/AC变换,产生一路高压和一路负电压,高压由整流滤波电路进行AC/DC变换输出+170 V左右的高压,经高压串联调整电路和高压滤波电路输出+150 V,负电压由整流滤波电路进行AC/DC变换、串联调整电路、滤波电路输出-12 V,同样-6 V由-12 V调整稳压后得到。

图1 二次电源组成

2.2 自激推挽变换器存在的问题

图2所示为自激推挽式变换器电路图。

图2 自激推挽式变换器电路图

2.2.1 晶体管同时导通

自激推挽式变换器是由自激的方式产生方波,V3,V4 交替饱和导通,理论上其高低电平之间的转换在时间上是完全一致的;实际上由于晶体管存贮时间的作用,会产生两个晶体管同时导通的情况,导通时间(1～2 μs)虽然很短,但由于变压器的作用,造成本应截止的晶体管产生高频尖峰损耗。尖峰损耗造成的平均功率可使管子结温升高到损坏点,产生二次击穿而损坏管子。因此,要保证自激推挽变换器稳定工作,必须避免两个晶体管同时导通。

(1) 缩短晶体管的存贮时间。

应避免管子进入深度饱和,可以缩短存贮时间,V1,V2使晶体管避免进入深度饱和。当晶体管一旦进入饱和区后,V1,V2就把基极的激励电流向集电极分流而使基极电流不再增加,这样就防止了晶体管进入深饱和,从而减小了存贮时间。

(2) 用RC电路延迟导通。

图2中,C3和R4(C5和R5)接于晶体的基极与地之间,当一个管子的基极处于脉冲的上升沿时,由于电容的充电过程而使基极达到导通的时间被延迟,从而避开了另一个管子截止时的存贮时间。

2.2.2 吸收尖峰

由于变压器的两个初级线圈之间存在漏感[10],当一个初级线圈中的电流突然降到零时,存储在这部分漏感中的磁能只能向分布电容充电,因而晶体管从饱和转为截至时,会在截止晶体管的集电集和发射集之间造成瞬间过压,所以推挽式变换器的输出波形上一般都带有尖峰,尖峰宽度与漏感、集电集电流、集电集电压上升时间、电流下降时间有关。减小这个尖峰,不但可以保护晶体管,还可以使输出电压纹波峰值减小。

(1) 采用RC缓冲电路。

RC电路在信号去耦电路、小电流滤波电路应用较多,可以起到平滑尖峰的作用。R6,C4的时间常数略小于晶体管存储时间,远小于振荡脉冲宽度,可以使尖峰电压减小,从而保护晶体管。

(2) 变压器绕线方式。

变压器线圈的分布电容和漏感对变换器的工作状态有很大影响。采用双线并绕的绕线方式,利于绕组间更好的耦合,降低漏感和分布电容的要求。

2.3 串联调整稳压电路存在的问题

图3为串联调整稳压电路图。

图3 串联调整稳压电路图

2.3.1 基准电压

基准电压的稳定度实际上是电源稳定度的极限值,若要获得较高的稳压电源稳定度,必须使基准电压的稳定度比所要求的电源稳定度高一个数量级[11],因此选用稳定性高和温漂低的基准稳压器非常重要,可以选取温度系数及动态电阻都很小的双向硅稳压基准源。

2.3.2 调整管热击穿问题

采用复合管(图3中V12,V13)作调整管时,为了防止由于三极管的Iceo过大引起的热击穿[12],必须在保证三极管最高结温时,Icbo能够泄放掉,图3中R15就是需要的泄放电阻。

2.4 抗干扰及可靠性

在功能分割上,将串联调整电路和自激推挽电路及变压器物理隔离,同时输出级尽量远离推挽电路;保证印制板地和电源壳体尽量大面积接触,电源壳体和大地面接触。

在结构上,将易发热器件直接固定在电源外壳上;内部发热器件通过印制板上大面积覆铜进行散热,同时

印制板布线尽量宽。

3 结 语

弹上二次电源虽然较多采用了模块化的线性或开关电源,但设计原理是相同的。通过对二次电源的设计分析,可以掌握弹上电源设计方法、故障分析方法,以及可靠性设计、抗干扰设计等方法。本设计研制成功的弹上二次电源,通过了电磁兼容试验、各项环境试验,电压稳定度、输出纹波达到了非常高的要求,实用性强,在整机应用上取得了较好效果。

参考文献

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[5]王顺祺.稳压电源设计[M].北京:国防工业出版社,1983.

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