帶有多種功能的低噪聲電源組件

姜耀升

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西西安710065）

隨著航天、航空儀器設備的迅速發展，多路低噪聲電源組件的市場需求越來越大，其特點是集成度高、體積小、重量輕、使用方便。但由于路數較多，在解決多路電路的同時，工作頻率相互干擾及系統輸出噪聲大等問題成為該類產品研究的技術難點。

1 技術指標

1.1 電特性

本文所設計產品規定的電特性見表1。

表1 主要電特性

1.2 額定使用條件

電源電壓（UCC）：＋18.0 V～＋36.0 V；控制電壓（UI）：＋3.0 V～＋5.5 V；

外同步頻率（FS）：400 k Hz±20 k Hz；工作溫度范圍（TA）：-55℃～＋85℃；

貯存溫度范圍（TS）：-55℃～＋125℃。

1.3 外形尺寸

外形尺寸見圖1。

圖1 多功能低噪聲電源組件外形尺寸

2 設計方案

2.1 設計方案的確定

根據以上設計條件，確立了低噪聲電源組件的研制方案。整個電路由七部分組成，第一部分是DC／DC轉換電路，它是整個設計的核心部分。第二部分是線性穩壓電路，由于在DC／DC轉換電路中采用負電壓跟隨正電壓變化的方式，負電壓可能存在偏高現象，因此在DC／DC轉換電路負電壓輸出端增加一級線性穩壓。第三部分是外頻率同步電路，同步頻率為400 k Hz±20 k Hz的TTL信號，其作用是將三路DC／DC轉換電路中的振蕩頻率同步并穩定在400 k Hz左右，提高電源適應環境溫度變化的能力，降低電源對外環境的噪聲干擾。第四部分是輸出濾波網絡，其作用是降低電源的輸出紋波和噪聲。第五部分是外控制電路，主要對輸出電壓A和輸出電壓B進行智能控制。第六部分是輸出保護電路，采用輸出電流取樣，信號放大并反饋給脈寬調制器，調制脈沖寬度，達到保護作用，同時具備輸出過壓和輸出過流、短路的保護作用。第七部分是輸入保護電路，采用對輸入電壓的分壓取樣，關斷脈寬調制器的供電系統，達到保護作用，同時具備輸入過壓和輸入欠壓保護作用。

具體的電路方框圖如圖2。

圖2 電路方框圖

2.2 結構設計

工藝方面采用集成電路表面貼裝技術，混合集成；外形結構采用鋁制殼體，表面本色絕緣氧化處理，腔體內采用導熱封膠灌封，輸出端采用標準的DB25PZ型連接器，使用方便、可靠，產品外形如圖3。

圖3 產品外形圖

2.3 設計原理

低噪聲電源組件由七部分組成，DC／DC控制電路是整個電路的主要部分，其余電路均起輔助作用，下面結合電路原理圖具體說明各部分工作原理。

2.3.1 DC／DC轉換電路

第一部分為DC／DC控制電路，如圖4所示，主要由脈寬調制器組成，工作電壓由線性電源提供，穩壓管D3穩壓值為12 V，三極管T1起放大作用，決定脈寬調制器工作電壓在11.5 V左右，C10為濾波電容。脈寬調制器參考電壓為5 V，R6、C5是振蕩電阻和振蕩電容，工作頻率為400 k Hz左右。輸入輸出隔離，光耦反饋，IC5為三端穩壓器，R34和R35是輸出電壓取樣電阻，其阻值和穩壓器的參考電壓決定輸出電壓大小。這部分電路在模塊中共有三路，其中一路轉換輸出＋5 V電壓，另外兩路均轉換輸出±12 V電壓。

2.3.2 線性穩壓電路

第二部分為線性穩壓電路，如圖5所示，主要由一種低壓差穩壓器組成。電路中R30和R31是輸出電壓取樣電阻，與穩壓器調整端參考電壓決定輸出電壓大小，控制端接地。這部分電路在模塊中共有兩路，均設計在-12 V輸出電壓前，起二次穩壓作用。

圖4 DC／DC轉換電路原理圖

圖5 線性穩壓電路原理圖

2.3.3 外頻率同步電路

第三部分為外頻率同步電路，如圖6所示，主要由開關三極管T3和變壓器TF組成，電路工作電壓為＋5 V，與電源輸出端共地，外輸入頻率為400 k Hz，三極管起驅動作用，變壓器起隔離驅動作用，驅動脈沖經過隔離電容C4輸入到三路脈寬調制器的振蕩端，將三路各自獨立的電源工作頻率同步，這樣能夠有效控制整體電源的噪聲頻譜。

圖6 外頻率同步電路原理圖

2.3.4 輸出濾波網絡電路

第四部分為輸出濾波網絡，如圖7所示，主要由共模濾波電感和濾波電容組成，±12 V輸出電感采用三線繞法，＋5 V輸出電感采用雙線繞法，輸出濾波電容采用陶瓷電容。

圖7 輸出濾波網絡電路原理圖

2.3.5 外控制電路

第五部分為外控制電路，如圖8所示，主要由一個MOS管組成，當控制端輸入高電平信號時，MOS管導通工作，通過光耦傳導反饋給脈寬調制器，使得輸出驅動脈沖占空比減小，進而降低或關斷輸出電壓。這部分電路只用在整機信號發射部分，工作電壓±12 V，高電平（≥3 V）時關斷輸出電壓，低電平（≤1.5 V）或懸空或接地時，輸出電壓工作正常。

圖8 外控制電路原理圖

2.3.6 輸出保護電路

第六部分為輸出保護電路，如圖9所示，主要由一個運放和一個光耦組成，電路中R37為電流檢測電阻，R27、R28為信號放大反饋電阻，T4為驅動三極管，光耦IC2起隔離反饋作用，穩壓管D7穩壓值高于輸出電壓，當檢測放大信號或輸出過電壓擊穿穩壓管D7時，驅動三極管，光耦導通工作，脈寬調制器的參考電壓＋5 V施加給電流檢測端，減小輸出脈沖占空比，降低輸出電壓，達到輸出過壓和過流、短路保護作用。

圖9 輸出保護電路原理圖

2.3.7 輸入保護電路

圖10 輸入保護電路原理圖

第七部分為輸入保護電路，如圖10所示，主要由三端穩壓器IC6和三極管T2組成，D1為瞬變電壓抑制二極管，當輸入電壓＋28 V上升到一定程度時，電阻R15和R16之間的分壓大于三端穩壓器的基準電壓，穩壓器陽陰兩極導通工作，將穩壓管D3穩壓值12 V降低，同時將脈寬調制器工作電壓降低到關閉電壓點以下，脈寬調制器停止工作，達到過壓保護作用。當輸入電壓降低到一定程度時，三極管T2的基極電壓低于穩壓管D3穩壓值12 V，同樣降低脈寬調制器的工作電壓，起到欠壓保護作用。

3 技術難點及解決措施

3.1 技術難點

根據以上設計方案，完成初樣產品的研制，送往用戶進行性能確認。用戶反饋該電源組件輸出噪聲過大，對設備檢測信號有干擾。通過現場分析，在設備測試系統顯示屏上，技術人員指出，由于電源輸出噪聲太大，幾乎造成系統中正常信號被噪聲信號淹沒，且有一個強干擾信號從高頻段向低頻段緩慢移動，與正常信號接近時，系統無法正確捕捉正常信號，整個系統性能下降。

對系統中出現的異常現象進行分析，得出結論：目前系統中的噪聲太大，其中移動的強干擾信號與電源的開關頻率有關，應對電源繼續改進、完善，大幅降低輸出噪聲，有效抑制干擾信號或控制其遠離設備正常信號。

3.2 解決措施

在初樣產品的電源中，三路DC／DC轉換電路的開關頻率均在300 k Hz左右，但并不同步，輸出端只采用常規電容法濾波，沒有設計專用濾波電路。根據經驗，電源須增加輸出濾波電路，如圖7所示，圖中的電感采用共模濾波電感，正負輸出繞在同一個磁環上，三線對稱，輸出濾波電容使用22μF和2.2μF容值。通過實驗，確定出共模電感的有關參數。

同時，增加外頻率同步電路，將電路中所有的脈寬調制器同步，工作頻率設計在400 k Hz左右，因為系統本身有一個400 k Hz的頻率源，恰好能夠利用，且穩定性很好。在外圍條件完備的條件下，最終確定出外頻率同步電路，如圖6所示，在實驗過程中，同步端的驅動三極管起初采用普通管，隔離驅動用的是光耦，兩者開關頻率低，同步響應效果差，改用高頻開關三極管和變壓器隔離后，同步過程中所有信號正常、穩定，同步效果明顯。

方案最終確定，制作出新樣品，重點對電源的輸出噪聲和外同步穩定性進行考核，以滿足整機要求，具體測試參數見表2。同時進行了低溫和高溫環境測試，工作均正常。

再次進行用戶現場測試，系統噪聲降低了40%左右，系統正常信號凸顯，最重要的是系統中漂移的干擾信號再沒有出現，徹底解決了電源中遺留的技術問題，得到了用戶認可。

表2 樣品改進前后參數對比表

4 產品特點

4.1 外頻率同步性能好、紋波小、噪聲低

在該產品設計中，采用了外頻率同步電路和輸出濾波網絡，使得產品的工作頻率穩定，適應環境能力強，紋波小，噪聲低，對外圍設備干擾小。

4.2 保護功能齊全，使用方便、安全

在該產品設計中，采用了輸入過壓、欠壓保護和輸出過壓、過流、短路保護電路，功能齊全，使用安全；再加上產品輸出采用通用連接器引出，可插拔性能好，使用更加方便。

5 可靠性設計情況

為了保證產品的可靠性，筆者在產品的抗沖擊性能、散熱、冗余設計等方面做了大量的工作。采用導熱灌封料將腔體內剩余的空隙填滿，使線路板與外殼成為一體，并在外殼底部設有四個安裝固定孔；元器件采取必要的降額設計并進行嚴格的工藝篩選，表貼元件采用再流焊工藝；將大功率發熱元件如MOS管、二極管等貼裝于外殼底面上，利用傳導散熱將熱量發散出去，在產品正常工作時其內部元件有一個合理的熱應力環境。

根據GJB／Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》，對產品的可靠性進行理論計算和預計，預計該產品平均故障間隔時間約為3.57×104h。

6 結束語

該產品具有輸入電壓范圍寬，輸出電壓穩定，輸出噪聲低，外頻率同步性強，可控制性強，同時還具備輸入、輸出保護功能，適應環境能力強、適用范圍廣、整機調試使用方便，可為用戶節約大量的調試時間，提高工作效率。該產品適合批量生產，用戶試用情況良好。

［1］ 方佩敏，張國華.最新集成電路應用指南［M］.北京：電子工業出版社，2001.

［2］ GJB／Z 299C-2006電子設備可靠性預計手冊［S］.北京：總裝備部出版社，2006.

［3］ 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術（第2版）［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［4］ 李振梅.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2004.