弹用小型化计算机电源

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1引言
       
        弹用小型化计算机电源就是在原型号基础上减小电源体积、重量，作为弹上小型控制计算机的配套电源。在不降低可靠性指标及电性能指标的前提下，如何减小电源体积、重量是该项目的主要工作内容。根据弹上计算机对电源的技术指标要求，采用电流型单端反激式DC/DC变换器的技术方案。它具有输入电压范围宽，动态响应性能好，适合多路电压输出及电路简单的特点；采用表面贴装元件，有效减小了电源的体积和重量；功率器件直接贴装在铝基PCB板上，散热效果好，能有效降低电源温升，从而提高电源的可靠性。
       
        2小型化计算机电源的主要特点
       
        （1）变换频率高
       
        电源工作频率为200kHz，可以减小输出滤波电容器，缩短响应时间，便于实现电源的小型化。
       
        （2）工作电压范围宽
       
        输入直流电压为2040V，电源均能可靠工作。
       
        （3）元件片式化
       
        80%元件采用表面贴装型式，有效减小了电源的体积和重量。
       
        （4）使用大容量多层瓷介电容器
       
        开关电源输出滤波电容器选择无极性、低阻抗、化学及物理性能稳定、高频性能好于钽电解电容器的无机介质多层瓷介电容器，在同等容值时，瓷介电容器的串联等效电阻比钽电解电容器小，固有谐振频率比钽电解电容器高，纹波小，滤波效果好。
       
        （5）体积小、重量轻、效率高
       
        电源共有7路电压输出，效率达75%，重500g，外型尺寸为174mm×96mm×35mm；电源的体积、重量和效率与进口模块电源组合的同等功率电源相当。
       
        （6）使用电流控制型变换器
       
        电流控制型变换器与电压控制型相比，由于具有输入电压的前馈控制，使开关电源具有良好的开环线性调整率；消除了输出滤波电感器带来的极点和系统的二阶特性；具有最佳的大信号特性；固有的脉冲电流限制简化了过载保护电路和短路保护电路。1977年，有关电流控制的论文首次发表。近年来，各种电流控制IC相继面世。美国UNITRODE公司生产100种PWM电路，其中75种是电流控制模式（CURRENTMODE）。电流控制模式已广泛应用于开关电源。
       
        （7）采用单面覆铜铝基PCB
       
        所有发热的功率器件都直接贴焊在PCB上，散热效果好，能有效降低电源温升，从而提高电源可靠性；单面覆铜铝基PCB板还作为电源的上盖板，可节省空间，降低电源高度。单面覆铜铝基PCB板的厚度可达到1.62mm，无需特别加固就能达到抗冲击及抗震动要求。覆铜铝基PCB板已在模块电源中广泛采用，其生产工艺与普通单面PCB板基本相同。
       
       
        图1电源结构框图
       
        3电路方案
       
        3.1变换器频率的选择
       
        变换器的工作频率与开关稳压器的性能指标有着直接的关系。当频率低于20kHz时，电源性能较差，纹波大，瞬态响应时间长，体积和重量也增加，还发出讨厌的交流声。当频率高于50kHz，对改善开关稳压器的性能有利，可以降低纹波，缩短响应时间，进一步减小体积和重量。但也带来某些缺点，如射频干扰大，对开关晶体管、高频变压器、电容器和扼流圈的高频性能提出更高的要求，而且，要制作低压大电流电源，在电路技术上也增加了困难。在我国现有元器件的条件下，其工作频率选取100kHz～200kHz较为适合。这属于超声范围，没有令人讨厌的交流声。并且在体积、重量、纹波、瞬态响应和成本等方面的性价比还是较好的，能满足许多电子设备（如大、中型电子计算机）的要求。经试验，单端反激变换器工作频率选在200kHz是目前较好的方案。当然，随着元器件水平的提高和电路技术的发展，开关电源的工作频率也会相应提高。
       
        3.2电路形式的选择
       
        单管式电路与推挽式、桥式电路相比，具有电路简单、元器件少等特点，并且不存在晶体管的"共态导通"和变压器的"单向偏磁"等问题。只是单个电路的输出功率较小，并且其变压器铁芯的磁特性只用了1个象限。所以，小功率输出的电源，可选用单管式变换器电路，可有效减小电源体积、重量及降低成本。目前，国内外大部分小功率模块电源都采用电流型单端反激式变换器。
       
        在推挽式、半桥式和全桥式电路中，中等功率输出的电源可选用半桥式电路或推挽式电路；大功率输出的电源可选用全桥式电路。半桥式电路对功率晶体管的耐压要求较低，但电流要求大；其所用功率变压器的铁芯没有"单向偏磁"现象，只是要用两个作为输入低频滤波又可流过高频电流的高压大容量电容器。推挽式电路对功率晶体管的耐压要求高，而电流可以小些。全桥式电路需要4个功率晶体管，电路较为复杂，元器件较多，只有在大功率输出情况下采用这种方案。应当指出，在某些功率较大的应用中，也可采用单管式电路的功率重叠方案。电源结构如图1所示。
       
        弹用计算机电源+5V1的负载电流大，作为整机对外供电电源，其负载电流变化范围较大，其输出功率也较大，因此，+5V1与B+5V共用一个变换器。两路输出的精度要求（±5%）并不高，即使不用3端稳压器，也可以达到技术指标所要求的稳压精度。±24V、±15V及+5V2电源本身共地，共用1个变换器。
       
        DC/DC变换器采用美国UC公司生产的UC1842PWM芯片控制的电流型单端反激式电路。UC1842启动电流低（0.5mA），具有脉冲电流限制功能，控制线路功耗小，简单可靠。单端反激式变换器适用于多路输出小功率开关电源，各路输出交叉调整率小，输入电压适应范围宽，所用器件少，可有效减小电源的体积、重量。变换器工作频率选用200kHz.
       
        3.3器件选择
       
        选择器件时应考虑两方面的因素。第一是其质量等级，第二是器件本身的物理特性。由于本电源用在弹上，其质量等级要求高，进口器件如PWM电路UC1842、光电耦合器HCPL5501及电压基准TL431等用883B级标准，国产器件选用七专产品。就器件的物理方面考虑，用于开关电源，主要是高频特性，温度特性及体积因素等。
       
        电源的功率变压器选用日本TDK公司生产的PC44EPC19表面贴装铁氧体磁芯，高度只有9.9mm，PC44铁氧体材料的高频损耗小，居里温度可达230℃，完全满足要求。输出电容器选用高频特性好的多层瓷介电容器和表贴型固体钽电容器。这两种电容器也是国外模块电源所采用的。目前，国内的成都宏明电子公司已有多层瓷介电容器的七专产品，4326厂也有表面贴装型固体钽电容器的七专产品。在国外，KEMET公司也有符合美国军用标准的产品。其余电阻器及无极性电容器选用表贴型，有效减小了PWM控制电路的体积。
       
        3.4结构考虑
       
        电源采用两层电路板，下层印制板主要实现输入、输出滤波入接口功能，采用双面板结构，器件以插装型为主。上层板主要实现功率变换功能，采用单面覆铜铝基板，器件以表面贴装型为主。采用铝基板表面贴装有散热好、表贴元器件引线短、干扰小及节省空间的优点。上下板之间通过专用的接插件进行联接，拆装方便，易于维修。
       
        4单端反激式高频变压器的设计
        在单管式电路中，高频变压器只利用铁心磁特性的一个象限，磁通不是从-Bm变到到+Bm，即不以磁特性曲线的原点对称工作，所以单管式电路中变压器的设计属于不对称工作的设计。
        对于以可变频率工作的反激式变换器，在功率晶体管导通其间变压器增加的能量，在周期的其余时间全部传送给负载，其输入功率计算公式是：
       
        从这个公式可以得出计算反激式变换初级绕组电感L1的公式：
       
        (1)
         
        由于反激式变换器必须兼有变压器和电感器功能，所以还必须满足一般变压器的计算公式：
       
        (2)
        式中，W1初级绕组匝数，Ui为输入直流电压(V)，Ton为导通持续时间(s)，S为铁心截面积(cm2)，Bm为最大磁感应强度(G)，Br为剩余磁感应强度(G)。
        由下式：
       
        可得：
        IP1L1=UiTon
        代入式(2)可得：
       
        (3)
        为了使铁心不致饱和，还必须满足下式：
       
        (4)
         
        式中，H为磁场强度，lC为铁心平均磁路长度(cm)，W1为初级绕组线圈，IP1为初级最大电流(A)，Hmax为铁心允许使用的最大不饱和磁场强度。
        对于固定频率工作的反激式变换器，在(1-δ)T期间，次级绕组的能量未能全部释放完，此剩余能量必然在δT期间反映到初级绕组上。因此在初级绕组中具有初始电流IP0，一般取IP1/IP0=2，这样，在δT期间初级绕组电流的变化量为：
       
       
        所以，
       
        (5)
        因此，在Ton期间，初级绕组电感器上增加的能量为：
         
        输出功率为：
       
        (7)
        初级绕组电感为：
       
        (8)
         
        综上所述，设计步骤可归纳如下：
        首先根据给定的输出功率，预选某种尺寸的铁心，再由式(8)计算出所需的初级绕组的电感值L1。
        然后由式(5)计算出IP1值，并把IP1值和L1值代入式(3)，求出初级绕组的匝数。
        最后由式(4)校验H值是否满足H≤Hmax，如满足，则可进一步计算次级绕组的匝数和校验铁心窗口的面积等步骤。
         
        5结束语
        目前，对该弹用小型化计算机电源单独做过高低温试验，随整机做过例试、综合环境试验及可靠性增长试验，其性能得到初步验证。今后还需要做片式化元件储存防护和可靠性研究工作，在电源的抗振动极限、工作环境温度极限等方面做必要的试验以获得详细数据。另外，也要尽早开展功率器件在单面覆铜铝基板上的SMT生产工艺研究工作。