采用MC34065設計的AIS船載通訊設備電源

林海青，方文逸，劉樹展

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

船舶自動識別系統(tǒng)(以下簡稱AIS)是一種船舶導航設備，由主機、顯示終端(KDU)以及船用VHF天線組成，配合全球定位系統(tǒng)(GPS)將航向、航線、航速、航名、吃水、危險貨物等船舶信息向附近水域的船舶及岸臺廣播，同時在電子海圖上可視化顯示附近的船舶信息[1，2]。

考慮到海上無線電信號的發(fā)射接收應答，AIS電源對靈敏度、線性度、動態(tài)范圍等指標都有較高要求，同時在啟動發(fā)射功能時需要的功率較大，所以在要求電源輸出大電流的同時，對電源的電磁兼容要求比較高。

本文選用雙通道單路可關斷使能的開關電源控制器MC34065，選取合適的拓撲結構，通過合理的PCB布局避免兩路輸出互相干擾，使用濾波器過濾紋波，最后進行實驗對該電源性能進行了驗證。

1 技術指標

AIS電源的具體技術指標如下：

1)輸入電源:標稱值24 V(DC)，極端條件下為24 V(DC) +10%/-20%；

2)輸出電源：

輸出電源1: +13 V±0.25 V，紋波≤20 mV，最大負載電流6 A(發(fā)射時) 5%占空比，最長130 ms；

輸出電源2：+5 V±0.05 V，紋波≤10 mV，最大負載電流2 A；

3)適應環(huán)境:溫度范圍-15 ℃～+55 ℃ (工作狀態(tài)),-55 ℃～+85 ℃ (存儲狀態(tài))；

4)具有過流、過壓保護功能。

2 總體方案設計

2．1 控制芯片選型

綜合具體技術指標的要求，5 V回路精度要求高，13 V回路輸出電流大，且紋波要求小。擬采用兩路單獨的PWM反饋方式較為合適，若使用兩路UC3842電源控制集成電路的方式，兩路不同振蕩頻率間的拍頻干擾會使輸出回路的紋波變大，同時也會使電源的電磁兼容EMC劣化。雖然采用兩路UC3842可以外時鐘同步運行方式來解決拍頻干擾的問題，但會使電路設計變得復雜，影響可靠性。為此，我們采用同一時鐘頻率下的高性能雙通道電流方式控制器MC34065[3]的設計。

MC34065是高性能、固定頻率、雙電流模式控制器，是為離線及直流到直流轉換器應用而專門設計的，通過最少的外部元件，提供給設計者一種經濟的實用手段。這些集成電路具有下述特性:適于精確占空比限定及頻率控制的單值振蕩器、溫度補償基準、兩個高增益誤差放大器、兩個電流傳感比較器、驅動輸出的激活引腳以及適合于驅動功率MOSFET的兩個高電流推挽輸出端[4]。另外,本器件保護特性包括:帶滯后的輸入及帶滯后的基準欠壓鎖定、接周期的限流、以及每個輸出端用于單個脈沖計數的鎖存器。其結構框圖如圖1所示。

圖1 MC34065結構框圖

高性能雙通道電流方式控制器MC34065可以看成是由單一頻率下的兩片UC3844電流方式控制器構成的。需要指出的是MC34065第14腳驅動輸出使能，可以控制13 V高功率發(fā)射模塊的供電電路，使AIS電源在系統(tǒng)接收無線信號時關斷，以減少發(fā)射回路的干擾，同時也降低了電源電路的待機功耗[4]。因此，MC34065是一款特別適合AIS電源控制要求的開關電源芯片。

2.2 電源拓撲設計

(1)正激式變換器

圖2 正激式變換器

正激式變換器如圖2所示，其工作原理如下：當開關管導通時，初級能量通過變壓器耦合和二極管VD向次級傳遞，同時電感L儲能；開關管關斷時，電感L中的能量使續(xù)流二極管VD1導通，從而向負載釋放能量[5]。N3通過VD2釋放變壓器磁心中的剩磁能量，防止磁飽和。正激式變換器常用于輸出大電流的場合，但需要較大的儲能電感。

(2)反激式變換器

反激式變換器如圖3所示。反激式變換器的變壓器相當于一對相互耦合的儲能電感線圈，當開關管導通時，二極管VD截止，初級線圈N1開始儲能；當開關管關斷時，N1使次級線圈N2產生感應電壓，使得VD導通，能量向負載供應[5]。反激式變壓器的缺點是，當輸出電壓較大時，N1線圈上會根據變壓器匝比產生感應電動勢，從而使開關管承受較大的電壓應力。

圖3 反激式變換器

AIS電源主要根據兩路負載的具體要求，采用與以往不同的設計方式，5 V回路功率比較小，采用隔離單端反激式變換電路；13 V功率比較大，無線電信號發(fā)射時電流達6 A，采用單端正激式變換電路，電源的原理圖如圖4所示。

2.3 紋波抑制

由于AIS電源的特殊性，對于無線電接收機來說它的紋波要求特別小，所以我們在電源的輸出端采用由兩級差模電容和一級共模電感構成的濾波器，進一步降低輸出紋波電壓的同時，又在輸出端加入平衡雙線濾波器(以下簡稱BDL濾波器)[6]。

圖4 原理圖

BDL濾波器是一種采用獨特專利結構設計的EMC濾波器，擁有全頻段優(yōu)異特性，可代替多種濾波器的解決方案。其器件符號如圖5所示。圖6為BDL濾波器與片式多層陶瓷電容器(MLCC)的濾波效果對比，可見BDL濾波器可以明顯減小紋波。

圖5 BDL濾波器符號

圖6 BDL濾波器濾波效果同MLCC對比

另外，在繪制AIS電源印刷線路板時，嚴格按照開關電源的設計準則，在放置元器件時充分考慮電磁元件的相互干涉性，輸入輸出工作回路有效面積最小，精心排布將電源輸出紋波降低到最小，以滿足用戶需要，器件排布如圖7所示。

圖7 AIS電源元器件排列圖

3 實驗驗證

制作完成樣機后進行了實驗驗證，開關管波形如圖8所示，其中CH1(下方)為5 V反激式波形，CH2(上方)為13 V正激式波形。輸出紋波分別如圖9、圖10所示，5 V輸出紋波為5.15 mV，13 V輸出紋波為19.2 mV。

圖8 開關管波形

圖9 5 V回路紋波

圖10 13 V回路紋波

4 結 語

本文介紹了AIS船載通訊設備對于電源的EMC和輸出能力的要求，通過橫向對比選取了合理的電源拓撲，并通過控制芯片的驅動控制功能、設計濾波器、加入BDL濾波器、合理化PCB排布等方式盡可能降低紋波。實驗證明，該電源的性能滿足指標要求，具有較好的工程價值。