基于DC—DC變換器的發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源設(shè)計(jì)

曾輝 奚國權(quán) 梁巍

發(fā)射控制系統(tǒng)介于載機(jī)和導(dǎo)彈之間，主要完成載機(jī)和導(dǎo)彈的信息交聯(lián)、導(dǎo)彈的供電以及發(fā)射等控制功能，是空空導(dǎo)彈系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源設(shè)計(jì)目的是通過電壓變換，將載機(jī)提供的電源轉(zhuǎn)換為供發(fā)射控制系統(tǒng)及導(dǎo)彈使用的工作電源，其穩(wěn)定性、可靠性及質(zhì)量優(yōu)劣直接決定著發(fā)射控制系統(tǒng)工作的可靠性及戰(zhàn)術(shù)性能的實(shí)現(xiàn)，最終決定著導(dǎo)彈發(fā)射的成敗。

DC-DC變換器以其體積小、可靠性好以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源設(shè)計(jì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。但DC-DC變換器在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲、傳導(dǎo)及輻射干擾，對(duì)系統(tǒng)的正常工作構(gòu)成較大的威脅，因此，對(duì)DC-DC在發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源中的應(yīng)用電路進(jìn)行研究，對(duì)于設(shè)計(jì)高品質(zhì)的二次電源具有重要的意義。

一、DC-DC簡介

DC-DC變換器是開關(guān)電源中一種常用的電壓變換方式，其基本原理是：由內(nèi)部集成電路控制產(chǎn)生電源內(nèi)的所有控制信號(hào)，并在電源初級(jí)形成振蕩，然后通過變壓器將能量由初級(jí)傳遞到次級(jí)，在次級(jí)進(jìn)行整流濾波輸出并反饋回控制電路，以此來控制初級(jí)開關(guān)管的接通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。

不過，開關(guān)電源變換器在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，其開關(guān)頻率在幾十到幾百kHz之間，電源輸入線路中會(huì)引入發(fā)射開關(guān)噪聲及其高次諧波，處理不好將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作信號(hào)造成干擾。所以在使用DC-DC二次電源轉(zhuǎn)換模塊之前，需要設(shè)計(jì)合適的電源輸入電路，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的電源進(jìn)行精密的測試。

二、二次電源工作原理

目前，發(fā)射控制系統(tǒng)中二次電源的供電輸入普遍采用載機(jī)提供+28V直流供電，而其輸出供電則取決于發(fā)射控制系統(tǒng)的實(shí)際用電需求，主要有±15V、+5V等類型?；贒C-DC轉(zhuǎn)換器的二次電源主要由輸入濾波、尖峰抑制、浪涌抑制、瞬斷儲(chǔ)能、DC-DC轉(zhuǎn)換以及輸出濾波等電路組成，其功能框圖如圖1所示。

載機(jī)提供的+28V直流供電，符合GJB181（A）的相關(guān)要求。輸入濾波一方面防止載機(jī)供電電源的噪聲干擾進(jìn)入電源系統(tǒng)，另一方面限制二次電源本身的噪聲通過導(dǎo)線饋入載機(jī)供電系統(tǒng)[2]。尖峰抑制主要是為了抑制供電線路中的電壓尖峰，確保系統(tǒng)不受損壞。浪涌抑制是為了滿足GJB181（A）中過壓浪涌和欠壓浪涌的要求，確保發(fā)射控制系統(tǒng)在過壓浪涌后不發(fā)生損壞，在欠壓浪涌時(shí)不中斷工作。瞬斷儲(chǔ)能是為了滿足GJB181（A）中有關(guān)瞬斷的要求，確保系統(tǒng)在瞬時(shí)掉電時(shí)不會(huì)發(fā)生計(jì)算機(jī)復(fù)位及輸出異常等現(xiàn)象。DC-DC轉(zhuǎn)換主要完成電壓轉(zhuǎn)換及輸入輸出隔離。濾波主要是限制DC-DC產(chǎn)生的噪聲干擾等對(duì)系統(tǒng)的影響，提供輸出電源的品質(zhì)。

三、二次電源設(shè)計(jì)

3.1輸入濾波電路

在載機(jī)提供的+28V直流供電中存在一定的共模和差模噪聲，同時(shí)，DC-DC工作過程中，高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、整流二極管等也會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾。輸入濾波電路主要由電感和電容組成，對(duì)干擾和噪聲進(jìn)行抑制，其電路如圖2所示。

L1和L2是單扼流圈，電感選取10～600mH，電容C1選取0.047～1uF，L1、L2和C1共同作用濾除系統(tǒng)中的差模干擾；L3和L4是兩個(gè)共模線圈，電感選取10mH～40mH，電容C2和C3選取1uF～5uF，L3、L4和C2、C3共同作用濾除系統(tǒng)中的共模干擾。

3.2尖峰抑制電路

載機(jī)供電系統(tǒng)在接通或關(guān)斷感性負(fù)載時(shí)，供電線路上會(huì)產(chǎn)生高壓尖峰脈沖干擾，其持續(xù)時(shí)間短，一般為微秒級(jí)，但電壓較高，對(duì)直流電路危害較大。GJB181（A）中要求用電設(shè)備應(yīng)能承受直流電源線上600V/10us的正、負(fù)極性的尖峰信號(hào)。抑制尖峰電壓最好的措施是在供電線路兩端并入瞬態(tài)電壓抑制器（TVS管），當(dāng)其兩端受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，能以ns級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)殡娮杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)較低的預(yù)定值，從而有效地保護(hù)電路中的元器件。實(shí)際使用中，可以采用多只TVS管并聯(lián)的方式來提高尖峰抑制的效果。

3.3浪涌抑制電路

載機(jī)供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障或大電流切換時(shí)，其電壓會(huì)產(chǎn)生過低或過高的瞬時(shí)浪涌，即過壓浪涌和欠壓浪涌，相對(duì)于欠壓浪涌而言，過壓浪涌如果不采取抑制措施，有可能對(duì)系統(tǒng)造成損壞。

GJB181中規(guī)定用電設(shè)備應(yīng)能承受直流電源線上80V/50ms的過壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了選用耐壓值高于80V的器件之外，還需要對(duì)過壓浪涌和欠壓浪涌進(jìn)行抑制，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。

目前在二次電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的浪涌抑制器是前端穩(wěn)壓模塊，其輸入電壓為8～80V，輸出電壓為16～40V，完全滿足系統(tǒng)對(duì)過壓浪涌和欠壓浪涌的抑制要求。

3.4瞬斷儲(chǔ)能電路

載機(jī)供電系統(tǒng)在進(jìn)行電源切換時(shí)，產(chǎn)生不大于50ms的瞬時(shí)斷電，為保證發(fā)射控制系統(tǒng)工作連續(xù)性，需要在二次電源中設(shè)置儲(chǔ)能電路，以提供系統(tǒng)50ms的能量需求。

瞬斷儲(chǔ)能電路一般由限流電阻、大容量鉭電容和二極管組成，其電路如圖3所示。

系統(tǒng)上電時(shí)，28V電源通過限流電阻R向儲(chǔ)能電容C充電，放電時(shí)，電容上的電能通過二極管D2補(bǔ)充到系統(tǒng)中，二極管D1防止電能向前端電路泄放。限流電阻R的阻值選取30～100Ω，確保電容充電時(shí)不會(huì)對(duì)載機(jī)供電系統(tǒng)產(chǎn)生大的電流沖擊。二極管D1和D2的選取應(yīng)視系統(tǒng)電流消耗情況而定。電容C的容值取決于系統(tǒng)的功率以及DC-DC正常工作時(shí)輸入電壓的下限。電容儲(chǔ)存電能的大小和電容的容值以及電容兩端的電壓有關(guān)系，即 ，假設(shè)系統(tǒng)的功率為P，系統(tǒng)正常電壓為U1，DC-DC輸入下限電壓U2，瞬斷時(shí)間t，則可以計(jì)算出電容的最小容值。

3.5 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

DC-DC轉(zhuǎn)換電路是二次電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的種類較多，其中降壓型的DC-DC轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的主要指標(biāo)包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、效率以及紋波等，在進(jìn)行器件選型時(shí)必須充分加以考慮。

DC-DC是功率轉(zhuǎn)換器件，其在工作過程中會(huì)消耗一定的功率，因此，其降額設(shè)計(jì)與其他器件有所不同。大部分DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出功率超過30﹪時(shí)，其綜合效率才會(huì)較高，但由于器件本身發(fā)熱的原因，需要將其殼溫限制在一定的范圍內(nèi)，才能保證其可靠工作，故一般建議實(shí)際使用功率為DC-DC額定功率的30﹪～70﹪。

3.6輸出濾波電路

DC-DC模塊是通過半導(dǎo)體器件的接通和關(guān)斷來工作的，并且通過占空比來控制輸出電壓的高低，因此，DC-DC模塊工作時(shí)將在工作頻率和倍頻上產(chǎn)生一定的高頻噪聲（即紋波），并以差?；蚬材５姆绞酵ㄟ^導(dǎo)線向外界傳導(dǎo)，且共模成分的能力要遠(yuǎn)大于差模成分。

輸出濾波采用由共軛電感和高頻電容組成的共模濾波電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓信號(hào)的紋波抑制。共軛電感的電感量一般取決于紋波電平的下限頻率（即DC-DC的基波頻率），高頻電容的耐壓值一般應(yīng)高于輸出電壓額定值的2倍，且電容的最小容值可以通過 來進(jìn)行估算。

需要注意的是，DC-DC輸出端的紋波由多種倍頻成分組成，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行濾波器相關(guān)參試的調(diào)試，如果有需要，可以采用多級(jí)濾波串聯(lián)的方式對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波處理，以使其電源滿足系統(tǒng)的相關(guān)要求。

四、結(jié)束語

隨著DC-DC技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源設(shè)計(jì)中將扮演著越來越重要的角色。本文簡述了以DC-DC為核心的發(fā)射控制系統(tǒng)二次電源設(shè)計(jì)中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為今后進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)提供了有益的參考。