空空導彈引戰系統低紋波DC／DC開關電源設計

摘 要：為滿足空空導彈引戰系統對電源的要求，根據引戰系統各供電電壓的特點，設計了一種低紋波DC/DC開關電源。開關電源模塊電路采用單端反激式的隔離型DC/DC變換器，通過外圍電路的多重濾波技術及PCB板的布局設計將電壓紋波減小到10mV以內，有效地降低了噪聲對引戰系統的影響，滿足了設計要求。

關鍵詞：開關電源；低紋波電源；EMI濾波器；X電容

中圖分類號：TJ43+1 文獻標識碼：A 文章編號：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

空空導彈引戰系統是一種響應速度快、靈敏度高的探測系統，對于電源電路有著較高的要求，同時其自身組成復雜，需要多種供電電壓，而普通的電池電源無法完全滿足整機的使用要求，這就需要設計一種二次電源電路，將引戰系統電池提供的電壓轉換成滿足各個分組件要求的高精度、低紋波、穩定、可靠的電壓。本文根據引戰系統各供電電壓的特點，對開關電源供電電路進行低紋波電路設計。

噪聲大是開關電源普遍存在的問題，目前現有的電源產品紋波一般在30～50mV，無法滿足引戰系統的要求，這就需要設計出一種低紋波的開關電源模塊。

1.2 開關電源原理

DC/DC開關電源采用功率半導體器件作為開關，通過對輸出電壓幅度采樣、反饋，控制開關管輸出脈沖信號的占空比來調整輸出電壓，而開關管的開關頻率則是開關電源紋波噪聲的主要來源。

DC/DC開關電源的基本構成如圖2所示，其中DC/DC變換器包括電子開關和整流濾波電路，開關占空比控制電路包括放大器、脈寬調制電路及驅動器。輸入電壓經過輸入濾波電路后開啟電子開關產生脈沖信號，整流濾波電路將脈沖整流成直流電壓輸出。對輸出電壓進行采樣，并與參考電壓進行比較，誤差電壓經過放大及脈寬調制，再經過開關占空比控制電路控制電子開關產生信號的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。

在電源電路中設計了一種低紋波DC/DC開關電源模塊，該模塊屬于隔離型DC/DC變換器。隔離型DC/DC變換器的拓撲結構主要分為全橋、半橋、推挽、正激和反激等幾種。由于反激結構電路簡單，所需要的元器件最少，有利于小型化，且適用于50W以下功率的電源，所以設計的電源模塊選擇了反激式拓撲結構。而反激電路峰值電流大的缺點則可以通過元器件選擇時充分降額的方式克服。同時，為了避免引戰系統回波信號的帶寬與開關頻率范圍接近，導致開關噪聲進入信號的通帶內干擾信號，需要盡可能地提高開關頻率。但是隨著開關頻率的增加，開關損耗也會相應增加，從而降低電源效率。這就需要在選取合適頻率的同時，對開關頻率進行濾波設計。

電路原理框圖如圖4所示，采用單端反激式結構，由高頻變壓器、功率開關管（VMOS）、脈沖調制單元（PWM）、整流電路、濾波電路、取樣比較電路、光耦隔離電路等組成。

其工作原理如下：輸入電壓經過供電電路給PWM單元供電，使PWM工作輸出高頻脈沖驅動信號，驅動功率開關管，使變壓器工作于高頻狀態，通過高頻變壓器把能量傳遞到次級，經整流濾波，輸出直流電壓。輸出電壓經取樣比較電路產生的反饋控制信號通過光電隔離反饋電路送到PWM單元，控制PWM單元的脈沖脈寬，從而使輸出電壓保持穩定。

考慮到輸入電壓有一定的波動范圍，為了提高產品的抗干擾能力和可靠性，輔助供電電路將輸入電壓進行線性穩壓后再給PWM控制器供電。反激式變換器的變壓器功率開關管需承受較高的電壓應力，至少為輸入電壓最大值的1.5倍，而且開關管在DC/DC變換器中作為開關器件，工作在高頻時存在開關損耗和上升沿、下降沿尖峰。因此，為保證產品正常工作，選用耐壓值至少高于100V的功率開關管。同時功率開關管在DC/DC變換器中相對其他器件而言，功耗較大，為提高產品的效率，選用了導通電阻較小、上升沿和下降沿較小的功率開關管。

輸出濾波電路采用半波整流方案，為了減小紋波電壓采用了共模濾波、二次濾波電路及調整匝數比，如圖5所示。

開關電源電路在設計的過程中雖然選用的模塊已經盡可能地抑制紋波，但是由于后續電路設計以及線束的使用會對紋波有一定的放大作用，這就需要在模塊的外圍電路采取進一步的措施來抑制干擾。

濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對開關電源電磁干擾信號（EMI）的傳導干擾和輻射干擾。任何電源線上的傳導干擾信號均可以用差模和共模信號來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低，所造成的影響較小；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的影響較大。

EMI電源濾波器與DC/DC電壓變換器搭配使用可以將DC/DC電壓變換器與輸入電源部分進行隔離，從而有效抑制DC/DC器件產生的噪聲串擾到輸入電源中。圖6為電源系統中選用的EMI濾波器的差模抑制曲線。從圖中可以看出，該EMI濾波器對于200kHz以上的紋波具有較高的差模抑制，可以濾除絕大多數輸入電源及電路系統本身帶來的噪聲。

EMI濾波器放置位置的不同對于整個系統所帶來的影響也會不同。本電源系統設計中選用的模塊輸出紋波較低，輸入端帶來的干擾可能對模塊本身及后續電路造成影響。圖7為EMI濾波器放置位置對比電壓紋波波形圖。

從圖7可以看出，EMI濾波器放置于輸出端時，與模塊自身的紋波相比沒有明顯的變化，而EMI濾波器放置于輸入端對紋波的抑制效果明顯，峰峰值降低了13mV。以上數據可以證明，該電源系統對于開關電源模塊，輸入端干擾的大小決定了輸出端紋波的大小，所以設計時將EMI濾波器放置于模塊的輸入端。

在開關電源模塊工作時，模塊殼體受開關頻率的影響存在一定的噪聲干擾，會影響模塊的輸入與輸出電壓。為減小干擾，將開關模塊的殼體與EMI濾波器的殼體相連接，將噪聲導入EMI濾波器進行濾波，輸出電壓紋波如圖8所示。從圖中可以看出紋波基帶明顯減小，這是因為殼體上的噪聲通過EMI濾波器后大部分高頻噪聲被濾除，紋波整體能量被抑制。此時的開關頻率與模塊不接觸EMI濾波器時相比，峰峰值有所增加。這是因為開關頻率噪聲通過EMI殼體傳入到模塊輸入端，與自身的開關頻率疊加造成的。

PCB板的布局設計也可以控制紋波。該電源系統PCB板采用4層板設計并采用大面積地線覆銅，其中間的電源層與底層可形成電容形式，在一定程度上降低供電電源與地之間的噪聲。為減小電壓傳輸過程中產生的噪聲，PCB板的整體走線均采用線寬1.5mm左右的連接線，對于電流相對較大的線路采用線寬2mm的連接線。在該系統中對于噪聲較大的信號及高頻信號進行隔離，并將濾波電容盡可能地靠近器件，充分起到濾波效果。

5 結 論

引戰系統對開關噪聲比較敏感，對紋波控制要求較高，所以該電源系統整體設計過程中，在滿足使用要求的前提下盡可能地降低紋波。系統設計中采用了新型的低紋波電源模塊，在外圍電路中采取了多種濾波措施，首次使用了X電容消除差模干擾，并將開關電源輸出地線與系統電源輸入地隔離，實現了系統低噪聲的設計效果。

同時PCB板的布局設計也可以控制紋波，采用了如高頻信號的隔離、增大電源線的寬度、大面積的覆銅、多層板設計等措施來減小噪聲的干擾。

該系統經過一系列的環境試驗驗證，紋波均在10mV以內，由此可以證明該電源系統設計合理，濾波措施有效。

參考文獻：

[1]徐海明，劉璐，沈瓊.現代電源應用技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]周志敏，周紀海，紀愛華.開關電源實用技術———設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]PressmanAI，BillingsK，MoreyT.開關電源設計[M].王志強，肖文勛，虞龍，等譯.北京：電子工業出版社，2006.

[4]張兵，白雪.抑制開關電源紋波的研究[J].宜賓科技，2011（1）.

[5]朱慶.論開關電源EMC產生機理及設計[J].現代商貿工業，2011（13）.