空間有效載荷二次電源可靠性設(shè)計(jì)

王詩(shī)斌，于喜河，蘇建

(中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部，北京 100094)

空間有效載荷二次電源可靠性設(shè)計(jì)

王詩(shī)斌，于喜河，蘇建

(中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部，北京 100094)

為了提高二次電源可靠性設(shè)計(jì)，結(jié)合某型號(hào)空間有效載荷配電器的研制，就其二次電源的可靠性設(shè)計(jì)展開(kāi)討論，將多種可靠性措施例如：一次電源輸入設(shè)計(jì)、軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)、輸入濾波設(shè)計(jì)、DC/DC模塊選型、熱設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)等結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用在實(shí)際工程中。采取上述可靠性措施后，浪涌電流減少為原來(lái)的1/10，二次電源穩(wěn)定性好，可靠性高，在工程上具有較高的實(shí)用價(jià)值。

有效載荷；可靠性；二次電源

某空間任務(wù)有效載荷配電器是專門(mén)為空間有效載荷配電的設(shè)備，由載荷一次電源配電模塊、載荷二次電源配電模塊等電子學(xué)功能模塊組成。其中載荷二次電源配電功能模塊是電子學(xué)功能模塊中最重要的一環(huán)，其主要功能是將平臺(tái)提供的直流+100 V母線經(jīng)有效載荷配電器的二次電源功能模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?8 V，然后向各個(gè)載荷供電。由于航天供電系統(tǒng)工作狀態(tài)較復(fù)雜及各系統(tǒng)之間的相互影響，+100 V母線具有不穩(wěn)定性，會(huì)引入一定的干擾；而有效載荷配電器的二次電源功能模塊在直流變換過(guò)程中也容易噪聲干擾，必須在二次電源設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)?shù)目煽啃源胧駝t產(chǎn)生的干擾對(duì)二次電源本身及周?chē)渌娮釉O(shè)備的正常工作都將造成威脅[1]。因此，展開(kāi)對(duì)有效載荷二次電源可靠性設(shè)計(jì)的討論具有十分重要的意義。

1 二次電源設(shè)計(jì)

1.1 二次電源設(shè)計(jì)考慮因素

空間有效載荷需要的二次電源是＋28 V，平臺(tái)提供的母線電源為直流+100 V。設(shè)計(jì)要求在滿足任務(wù)需求的前提下，盡量采用成熟技術(shù)，保證高可靠性。

選擇模塊化的DC/DC變換器構(gòu)成二次電源具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)DC/DC電源模塊是利用先進(jìn)的制造工藝構(gòu)成的一個(gè)整體的、結(jié)構(gòu)緊湊的、體積小的高質(zhì)量穩(wěn)壓電源，使用簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)具有擴(kuò)容方便、可靠性高、維修性好等優(yōu)點(diǎn)；(2)合理開(kāi)發(fā)DC模塊的反饋端、調(diào)整端、禁止端和同步端等引腳功能,可以滿足某些載荷的特別設(shè)計(jì)需求；(3)一般的DC/DC模塊都具有隔離保護(hù)功能，使負(fù)載和一次電源母線隔離，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)載和短路的時(shí)候，DC/DC模塊實(shí)施過(guò)載和短路的保護(hù)功能；(4)DC/DC模塊具有二次穩(wěn)壓功能。當(dāng)一次母線電壓發(fā)生較大變化時(shí)，可以將一次電壓調(diào)整到需要電壓的穩(wěn)定值。

1.2 二次電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，針對(duì)載荷的實(shí)際情況，二次電源設(shè)計(jì)采用DC/DC模塊的方式設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用IR公司的AFL12028S DC/DC模塊設(shè)計(jì)二次電源，主要電路包括一次電源輸入電路、軟啟動(dòng)電路、濾波器電路、DC/DC模塊電路等。為了提高可靠性，二次電源電路設(shè)計(jì)采用熱備。其原理框圖如圖1所示。

圖1 二次電源的電路設(shè)計(jì)框圖

2 二次電源的可靠性設(shè)計(jì)

2.1 一次電源輸入可靠性設(shè)計(jì)

輸入電路一般由熔斷器和電阻串聯(lián)組成。熔斷器的作用是提供安全保護(hù)。一般應(yīng)串入二次電源的輸入端。熔斷器的規(guī)格一般選取1.5～2倍的額定電流，如果模塊工作在一個(gè)相當(dāng)寬的輸入電壓范圍，則熔斷器應(yīng)選擇2倍的額定電流。

一次電源輸入電路設(shè)計(jì)如下圖所示：熔斷器采用兩個(gè)具有相同額定電流的熔斷器并聯(lián)使用，其中一個(gè)支路上串聯(lián)一個(gè)限流電阻，限流電阻的阻值一般大于熔斷器FUSE冷態(tài)電阻阻值(RF)的20倍，連接方法如圖2所示。

圖2 一次電源輸入可靠性設(shè)計(jì)

2.2 軟啟動(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)

在電源上電瞬間，會(huì)有很大的沖擊電流，稱為浪涌電流。浪涌電流會(huì)給電源系統(tǒng)帶來(lái)極大的不利影響，各種電源變換模塊和濾波器模塊等都有一定的容量限制，當(dāng)沖擊電流超出模塊額定容量較多時(shí)，就會(huì)使電源系統(tǒng)不能正常工作，因此必須采取措施降低浪涌電流的幅度。為了抑制一次電源加電時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流，可采用以下幾種方法：(1)減小一次電源側(cè)的濾波電容；(2)對(duì)功耗較小的負(fù)載，可在一次電源電路中串聯(lián)電阻，需要注意串聯(lián)電阻的功率降額以及壓降對(duì)負(fù)載的影響；(3)在一次電源電路串聯(lián)電感，如圖3(需注意，加續(xù)流二極管是為了防止斷電時(shí)電感產(chǎn)生反向感應(yīng)高電壓)；(4)采取軟啟動(dòng)電路。

圖3 串聯(lián)電感抑制浪涌電流設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)電路的特點(diǎn)是抑制效果好，缺點(diǎn)是器件的選擇上需要根據(jù)負(fù)載的情況實(shí)驗(yàn)確定。特別是功率場(chǎng)效應(yīng)管的選擇及場(chǎng)效應(yīng)管與分壓電阻、電容大小的匹配上，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算和波形測(cè)試確定一個(gè)相對(duì)的最優(yōu)值。

為了提高電路的可靠性，本電路設(shè)計(jì)采用軟啟動(dòng)電路，電源模塊前的軟啟動(dòng)電路采用了獨(dú)立并聯(lián)的方式，以確保每個(gè)電源模塊供電的可靠性。軟啟動(dòng)電路見(jiàn)圖4。

圖4 軟啟動(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)

二次電源系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)電路后，浪涌電流由36.8 A變?yōu)?.42 A，抑制效果非常好。采用軟啟動(dòng)電路前后測(cè)試?yán)擞侩娏饕?jiàn)圖5和圖6。

2.3 DC/DC模塊可靠性設(shè)計(jì)

所有DC/DC模塊都有由電感和電容組成的LC輸入和輸出濾波網(wǎng)絡(luò)，這些LC器件在接入正常工作的帶電系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)因瞬時(shí)充放電而對(duì)電源產(chǎn)生影響。因此，需要綜合考慮DC/DC模塊的可靠性設(shè)計(jì)。

DC/DC模塊一般先把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為直流，轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易形成各種噪聲，在輸入端表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來(lái)自電源的噪聲對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由電源產(chǎn)生，并向電網(wǎng)反饋的干擾；同時(shí)對(duì)傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)二次電源的需求，依據(jù)可靠性與降額設(shè)計(jì)的原則，在+100 V輸入濾波器選用了IR公司的AME270461X濾波器，這種濾波器電路專門(mén)用于抑制線路噪聲對(duì)DC/DC模塊性能的干擾，提供EMI濾波和瞬態(tài)噪聲抑制，降低DC/DC模塊輸入線路反射紋波電流，同時(shí)阻止二次電源向輸入電源反饋的噪聲。

圖5 未采取任何措施測(cè)試?yán)擞侩娏?/p>

圖6 采用軟啟動(dòng)電路測(cè)試?yán)擞侩娏?/p>

2.4 其它可靠性設(shè)計(jì)措施

2.4.1 元器件選用

二次電源設(shè)計(jì)所選用的元器件盡量選用可靠性高的元器件，并進(jìn)行二次篩選實(shí)驗(yàn)。

2.4.2 三防設(shè)計(jì)

三防設(shè)計(jì)指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)印制板及組件表面涂覆專用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。

2.4.3 熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)是利用熱傳遞特性，通過(guò)采取散熱措施，控制電子設(shè)備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)降額后規(guī)定的最高允許工作溫度。在空間有效載荷二次電源設(shè)計(jì)中，采取的熱設(shè)計(jì)措施如下：(1)首先選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目；(2)確定主要發(fā)熱單元和傳熱途徑，散熱的主要方式以熱傳導(dǎo)為主，熱輻射為輔原則，即將大功耗器件DC/DC模塊安裝到機(jī)箱壁，并將機(jī)箱和DC/DC模塊之間涂導(dǎo)熱硅膠，以增加傳導(dǎo)熱交換，將DC/DC模塊熱量傳導(dǎo)和輻射到機(jī)箱壁；(3)有發(fā)熱器件的PCB板表面覆銅增加導(dǎo)熱，或者采用導(dǎo)熱硅橡膠片和銅導(dǎo)熱片的散熱措施，有效地將熱量導(dǎo)向印制板和邊框，并加大加粗電源線和地線印制線的寬度，提高電源效率和增加抗干擾能力；(4)機(jī)箱外部(機(jī)箱底部除外)均作黑色陽(yáng)極化處理，加強(qiáng)了機(jī)箱向外的輻射熱量。

2.4.4 降額設(shè)計(jì)

參照GJB/Z35《元器件降額準(zhǔn)則》，進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。

2.4.5 抗輻射設(shè)計(jì)

航天器在軌運(yùn)行期間，內(nèi)部元件不斷受到空間環(huán)境中高能帶電粒子的轟擊，能量逐漸累積到一定程度將產(chǎn)生輻照總劑量損傷。為了給安裝在其內(nèi)部的組件和電子元器件提供一個(gè)良好的、能夠抵抗外空間惡劣條件的內(nèi)部環(huán)境，避免因輻射導(dǎo)致性能失效，確保在軌運(yùn)行期間穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)壽命工作，必須對(duì)敏感器件進(jìn)行抗輻射分析和設(shè)計(jì)。一般應(yīng)根據(jù)軌道高低和使用部位確定抗輻射總劑量要求，再根據(jù)抗輻射總劑量要求，進(jìn)行抗輻射設(shè)計(jì)，航天器的抗輻射設(shè)計(jì)措施主要從以下幾個(gè)方面考慮[2]：采用耐輻射的電子元器件，考慮輻射余量設(shè)計(jì)；進(jìn)行抗輻射加固措施，采用整機(jī)加固或局部加固措施進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)；單粒子效應(yīng)防護(hù)盡量采用軟件的方法。

2.4.6 EMC設(shè)計(jì)

空間有效載荷二次電源系統(tǒng)產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)要注意以下幾個(gè)方面：控制各板加工公差，確保各板搭接位置能夠良好接觸；各板內(nèi)表面進(jìn)行導(dǎo)電陽(yáng)極化處理，減小機(jī)箱相鄰面間接觸電阻；產(chǎn)品內(nèi)部連接以及產(chǎn)品與外部載荷連接，都使用帶屏蔽的線纜；使用銅箔膠帶對(duì)各連接器做密封處理，并與連接器、電纜的屏蔽層連接等。

2.4.7 PCB設(shè)計(jì)

(1)地線回路規(guī)則

環(huán)路最小規(guī)則，即信號(hào)線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積要盡可能小，環(huán)面積越小，對(duì)外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。

(2)串?dāng)_控制

串?dāng)_(CrossTalk)是指PCB上不同網(wǎng)絡(luò)之間因較長(zhǎng)的平行布線引起的相互干擾，主要是由于平行線間的分布電容和分布電感的作用。克服串?dāng)_的主要措施是：加大平行布線的間距；在平行線間插入接地的隔離線，減小布線層與地平面的距離。

(3)屏蔽保護(hù)

對(duì)應(yīng)地線回路規(guī)則，實(shí)際上也是為了盡量減小信號(hào)的回路面積；對(duì)于高頻信號(hào)，應(yīng)該考慮采用銅軸電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即將所布的線上下左右用地線隔離，而且還要考慮好如何有效地讓屏蔽地與實(shí)際地平面有效結(jié)合。

(4)走線的方向控制規(guī)則

走線的方向控制規(guī)則即相鄰層的走線方向成正交結(jié)構(gòu)。避免將不同的信號(hào)線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間串?dāng)_；當(dāng)由于板結(jié)構(gòu)限制(如某些背板)難以避免出現(xiàn)該情況，特別是信號(hào)速率較高時(shí)，應(yīng)考慮用地平面隔離各布線層，用地信號(hào)線隔離各信號(hào)線。

(5)將功能上有關(guān)聯(lián)的器件放在一起，使原器件之間的連線做到最短，以增強(qiáng)抗干擾的能力。

(6)在布局上要把模擬信號(hào)部分、數(shù)字信號(hào)部分和噪聲源部分(繼電器等)的地分開(kāi)，最好在不同的電路板上完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本產(chǎn)品在進(jìn)行了上述電磁兼容設(shè)計(jì)后，在標(biāo)準(zhǔn)EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射(RE102)和10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射控制(CE102)等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。實(shí)測(cè)曲線均在極限曲線下方，滿足GJB 151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的要求[3-4]。

圖7 電場(chǎng)輻射發(fā)射(RE102)

圖8 電源線傳導(dǎo)發(fā)射控制測(cè)試(CE102)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述了空間有效載荷二次電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素和設(shè)計(jì)方法，針對(duì)二次電源在航天器中的應(yīng)用非常廣泛，結(jié)合在工程中的實(shí)際應(yīng)用，給出了二次電源可靠性設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)二次電源的電場(chǎng)輻射發(fā)射(RE102)和電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)等EMC實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足航天產(chǎn)品的EMC實(shí)驗(yàn)要求。

文中設(shè)計(jì)的電源電路充分考慮了器件備份、母線電源的安全性、電磁干擾等因素，滿足航天產(chǎn)品的可靠性、效率、浪涌和紋波、電磁兼容性的要求，獲得了滿意的結(jié)果，文中所提供的可靠性設(shè)計(jì)方法，對(duì)于類似的設(shè)計(jì)提供了可供借鑒的范例。

[1]王小朋，于平，李東景.空間有效載荷二次電源抗干擾設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程，2011，9(4):439-443.

[2]馬世俊，韓國(guó)經(jīng)，李文滋.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：宇航出版社，2001.

[3]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 151A-1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997.

[4]江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of secondary power reliability in space payload

WANG Shi-bin,YU Xi-he,SU Jian

In order to improve the design of reliability for secondary power on space payload,the design measures of the secondary power system combined with the research of a space payload distributor were discussed,including input design of primary power,soft start，input filter,DC module selection,thermal,deraing,electro magnetic compatibility(EMC)and printed circuit board(PCB)design.After taking this measures，the surge current was dropping to 1/10,and stability and reliablity of the secondary power were well.All the results of the experiment and actual application show that the reliability design is effective．

payload;reliability;secondary power

TM 642

A

1002-087 X(2014)02-0317-03

2013-06-19

王詩(shī)斌(1971—)，男，北京市人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g電源和配電。