一種應用于遙感成像系統電源板的設計與仿真

李聞先　尤元　劉棟斌

摘 要： 航天遙感任務中，為了得到較高的信噪比及系統穩定性，對二次電源供電系統具有較高的性能要求。DC?DC模塊具有高可靠性、高集成度、高效率等優點，廣泛應用于航空航天工程項目。然而，DC?DC模塊在轉換過程中，其固有噪聲和外界引入噪聲會對整個成像系統的EMI產生很大影響。綜合EMI/EMC考慮，系統采用母線電源經濾波器進入電源系統，輸出單元與負載間引入濾波電路減小輸出紋波。最后，針對整個電源板的直流壓降及電流密度分布進行仿真分析，確保了工程應用中的穩定性與可靠性。

關鍵詞： 共模濾波； DC?DC變換器； 直流仿真； 電磁兼容

中圖分類號： TN86?34； TP303+.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0107?03

Design and simulation of power panel applied in remote sensing imaging system

LI Wenxian1， YOU Yuan2， LIU Dongbin1

（1. Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China；

2. Changchun University of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： To obtain higher SNR and better system stability in space remote sensing missions， the higher performance requirements are put forward for secondary power supply system. DC?DC converter has the advantages of high reliability， high integration and high efficiency， and is widely used in aerospace engineering′s projects. In conversion process of DC?DC module， the inherent noise and ambient noise have significant impact on EMI of entire imaging system. Considering EMI/EMC comprehensively， the busbar power supply adopted by the system is entered into power supply system through the filter. Filtering circuit between output unit and the load is introduced to eliminate output ripple. DC voltage?drop and current density distribution of the entire power panel are proceeded with simulation and analysis. The stability and reliability in engineering applications are ensured.

Keywords： common mode filtering； DC?DC convertor； DC simulation； EMC

0 引 言

現代航天遙感器是集光學、光譜學、精密機械、現代電子技術及計算機技術于一體的先進設備，主要由光學系統、電子學系統及精密機械結構相互配合工作。其中電子學系統的電源系統作為整個控制核心的供電單元，其可靠性、穩定性與供電質量的高低直接影響了載荷系統運行的可靠性及性能指標的實現，甚至決定了整個航天任務的成敗[1]。

航天器是一個復雜的工作系統，各個分系統單元之間的相互影響使得母線電源具有一定的不穩定性，從而引入浪涌干擾。DC?DC模塊內部高頻開關管的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復尖峰電流產生的諧波等干擾源的存在，會產生嚴重的傳導干擾和輻射干擾，對二次電源本身及其周圍電子設備造成威脅[2]，因此，設計高可靠性、高性能的航天器二次電源具有十分重要的意義。

本文依據項目任務書的需求，在輸入端引入EMI濾波器消除母線電源干擾，同時避免二次電源產生的噪聲干擾母線電源，從而降低整個航天器的可靠性。同時在輸出端加入輸出濾波電路，減小輸出紋波對整個系統成像質量的影響。最后采用Cadence軟件進行直流仿真，對整個電源系統的特性進行分析。

1 電路設計

1.1 二次電源原理

航天器的二次電源供配電設計通常有兩種形式，即集中式供電與分布式供電。兩種不同的供電方式對整個供電系統的可靠性有著不同的影響，因此應根據供電系統具體要求合理選擇供電方式。

集中式供電的優點是DC?DC變換器數量少，簡化了一次電源到DC?DC模塊的重復布線，同時可以有效控制整個系統的重量和體積；分布式供電是與集中式供電相對而言的，是指DC?DC變換器以分散的方式分布在負載周圍，其優點是傳輸損耗小、動態響應特性高，同時它是解決低電壓大電流問題必須且惟一的技術途徑[2]。同時，分布供電系統大大提高了系統的可靠性。

根據項目任務要求，成像系統應具有高集成度、低噪聲的特點，而本電源系統采用集中分布式供電設計，即整個成像系統采用DC?DC+LDO（低壓差線性穩壓器）的供電方式為系統供電，DC?DC模塊為集中供電方式，LDO分布于負載周圍，此方法兼具集成與高可靠性的優點。整個成像電路系統的電源分布原理框圖如圖1所示。

圖1 CCD成像電路電源分布系統框圖

1.2 輸入濾波器設計

一次電源受系統不穩定的影響有時會產生紋波噪聲，噪聲進入二次電源經DC?DC會影響二次電源輸出質量，同時DC?DC模塊產生的傳導噪聲通過母線干擾一次電源也是不希望的，因此設計中在母線與DC?DC模塊輸入端應加入EMI濾波器。

根據任務要求，依據可靠性和降額設計的原則，本文選用VPT公司的COT系列EMI濾波器VPTF3?28降低一次電源與二次電源間的相互干擾。該濾波器主要技術參數如表1所示。該濾波器的技術指標滿足MIL?STD?461C CE03/CE102標準。

表1 EMI濾波器主要技術參數

[參數＼&典型值＼&輸入電壓＼&28 V＼&瞬態電壓（1S）＼&≤80 V＼&最大工作電流＼&3 A＼&最大輸入功率＼&75 W＼&最大耗散功率＼&2.3 W＼&MTBF＼&1.67 MHrs＼&]

1.3 輸出濾波電路設計

DC?DC模塊工作原理是將直流變為交流，再將交流轉換成所需的直流電壓，轉換過程中開關管的高速切換、高頻交流的輻射效應，VPT公司的DC?DC模塊內部集成了輸出濾波模塊，其輸出電壓紋波一般為30 mVP_P，測試條件為全負載，頻率為20 Hz～20 MHz。

輸出的紋波主要包含共模噪聲和差模噪聲，其中共模噪聲是由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導線存在寄生電感，因此當矩形波電壓作用于功率器件時，開關電源的輸出端會產生共模紋波噪聲。在輸出端加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲，同時，共模扼流圈的漏感與電容組成的濾波器會對差模噪聲產生抑制作用。

輸出濾波器的等效電路圖如圖2所示，其中[L]為共模扼流圈，其工作原理為當共模電流流過繞在同一磁芯上，匝數、纏繞方向相同的繞組時，產生兩個大小相等方向相反的磁通，然而直流電流可以無損的通過扼流圈。因此共模扼流圈的設計是濾波電路的核心設計。

圖2 輸出濾波電路原理圖

航空航天工程上一般采用環形結構扼流圈，這種結構的磁芯有效磁導率要高于其他結構的磁芯，可防止磁芯飽和降低濾波效果。而磁芯一般選用錳鋅材料的鐵氧體，該材料在低頻時磁導率非常大，所以非常適合抑制10 kHz～50 MHz范圍內的電磁干擾。本設計中選用的開關電源的基頻為500 kHz，噪聲主要集中在基頻和其高次諧波上。扼流圈的具體設計步驟如圖3所示。

圖3 共模扼流圈設計流程圖

2 電源直流仿真分析

二次電源板具有功率密度高、電壓種類多等特點，同時存在PCB布線時連接器把銅箔分割得比較細，某一過孔電流過大等風險。

PowerDC是一款業界領先的直流壓降和電熱混合仿真工具，其可以完成低壓大電流的PCB和封裝產品全面的直流分析，同時集成熱分析功能，可實現電熱混合仿真。為確保器件端到端電壓降裕量、確保二次電源工作的穩定性與可靠性，本文采用Cadence PowerDC軟件對二次電源板進行了直流壓降和電流密度仿真分析，可以快速檢測定位電流密度超標或直流壓降過多等風險。

直流壓降仿真結果如表2所示，直流壓降均滿足小于1%的指標。

表2 直流壓降仿真結果

[模塊輸出電壓 /V＼&實際電壓 /V＼&額定電流 /A＼&18＼&17.983 4＼&0.4＼&15＼&14.985 8＼&0.8＼&7＼&6.988 1＼&2.4＼&4.2＼&4.196 4＼&0.8＼&3＼&2.993 5＼&0.8＼&-15＼&-14.993 5＼&0.1＼&]

電流通過狹窄區域會產生較大電流密度從而導致局部PCB板溫度升高，電流密度分布仿真結果如圖4所示。圖4（a）為電流密度矢量分布圖，從圖中可以清晰地了解二次電源板的電流走向與平面、過孔電流熱點，結果顯示電流密度最高點出現在扼流圈7 V電壓輸出PIN腳處，大小為59.56 A/mm2。圖4（b）為頭部連接器局部平面電流密度分析結果，由于連接器引腳使銅箔被分割，此處為平面電流熱點，最大值為49.84 A/mm2。

圖4 電流密度分布圖

PCB布線功耗分析結果如表3所示，結果表明電源板走線直流功耗可忽略不計，同時對電流熱點處的功耗分析結果為[Pmax=231.65 μW，]滿足散熱要求。

3 結 語

本文設計了一套應用于TDI成像系統的電源系統，針對DC?DC模塊的工作原理與內部干擾分析，綜合設計了輸入、輸出濾波電路，提高了電源的抗干擾能力。

表3 PCB布線功耗分析結果

[PCB層＼&功率損耗 /mW＼&TOP＼&0.145＼&Power＼&61＼&GND03＼&30.95＼&Bottom＼&0＼&過孔功耗＼&0.210＼&總功耗＼&92.11＼&]

通過Cadence PowerDC軟件對電源PCB進行了直流仿真，通過直流壓降分析、電流密度分布分析及布線功耗分析，確保了電源PCB設計的功能性與可靠性。該設計方案在其他工程應用設計中具有一定的借鑒意義。

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