摘? 要: 根據(jù)機載計算機電源的特點,簡單介紹了回掃式變換的原理,并結(jié)合典型的回掃式控制器LM2588,介紹了一種高效、可靠、對空間敏感的小型機載計算機供電電源的設(shè)計。此外,對關(guān)鍵部件——高頻脈沖變壓器" title="脈沖變壓器">脈沖變壓器的設(shè)計和相關(guān)理論進行了一定的分析和探討。

　　關(guān)鍵詞: 機載計算機? 回掃式? 高頻脈沖變壓器? LM2588

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　　小體積、輕重量、高可靠性、高效率是航空電源始終追求的目標。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的機載計算機主機已越來越小型化，這就對其電源部件的體積和重量提出了進一步小型化的要求。機載計算機是一種抗惡劣環(huán)境的計算機,其電源部件也必須滿足抗惡劣環(huán)境的要求,例如必須適應(yīng)-55℃～+125℃的環(huán)境溫度和較寬范圍的輸入電壓;同時還要耐振動、耐撞擊、抗電磁干擾等。

1 某機載計算機電源的技術(shù)要求

　　某機載計算機對電源部件的技術(shù)要求見表1。

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2 回掃式變換原理

　　根據(jù)該電源部件輸出電壓種類多、給定的外型尺寸小、輸入電壓變化范圍大、工作溫度范圍寬等特點,必須設(shè)計小型、高效、可靠的供電電源。為此,選擇回掃式變換電路(又稱flyback、ON-OFF型)進行設(shè)計,圖1為其典型電路結(jié)構(gòu)。此電路簡潔可靠,主開關(guān)元件和變壓器利用率很高,由于采用了峰值電感電流檢測技術(shù),可以靈敏地限制最大" title="最大">最大輸出電流,因此高頻脈沖變壓器不必設(shè)計較大的余量,特別適用于幾百瓦以下功率的電源系統(tǒng)中。

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　　其基本工作原理為:當(dāng)開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(T_ON),電流流過變壓器T₁的初級線圈N1,變壓器將能量以磁場的形式儲存起來,由于初、次級圈相位不同,所以當(dāng)電流流過初級線圈時,次級線圈N2中沒有電流流過。當(dāng)Q₁截止時(T_OFF),消失的磁場使初、次級線圈中電壓極性反轉(zhuǎn),整流二極管V_D導(dǎo)通,電流通過VD流向負載,變壓器的能量釋放,提供負載電壓、電流?？刂破髡伎毡葹?

　　其中,V_F為二極管正向壓降;V_SAT為Q1飽和電壓降;V_O為輸出電壓;V_IN為輸入電壓。

　　電流臨界連續(xù)時,初級繞組電感量為:

　　其中,f_OSC為開關(guān)頻率" title="開關(guān)頻率">開關(guān)頻率;P_Omin為輕負載時輸出功率;η為轉(zhuǎn)換效率;V_INmin為最小輸入電壓;D_max為最大占空比。

3 設(shè)計方案

3.1 回掃式控制器選擇

　　National Semiconductor公司最新推出的LM2588系列控制器旨在實現(xiàn)一種能夠滿足多路供電電壓輸出而無需進行復(fù)雜設(shè)計的高集成度電源的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計者使用它能很快地開發(fā)出小型、低成本、多路供電的電源系統(tǒng)。

　　LM2588采用7腳TO-220封裝,主要包括100kHz振蕩器、2.9V穩(wěn)壓電路、誤差放大器、5A/65V的NPN開關(guān)管以及過流、過熱、低電壓鎖定,還包括軟啟動、邏輯關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷、邏輯控制等,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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3.2 高頻脈沖變壓器設(shè)計

　　設(shè)計的某機載計算機DC/DC開關(guān)電源如圖3所示。

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　　U1為控制器LM2588-5.0。脈沖變壓器T1共有五個繞組:N1為初級繞組,N2、N3、N4、N5為次級繞組,分別對應(yīng)輸出+12V@0.2A、-12V@0.2A、-32.5V@0.05A以及+5V@4A,且N2、N3圈數(shù)相同。

　　由于回掃式控制器具有連續(xù)型和不連續(xù)型控制的特點,所以設(shè)法使其穩(wěn)定就顯得很重要。高頻脈沖變壓器的設(shè)計是整個回掃式控制電路的關(guān)鍵,電源的性能和優(yōu)劣在很大程度上取決于變壓器的設(shè)計。這里選擇TOKIN公司FEER28L磁芯,磁芯的有效截面積為84.7mm²，有效磁路長度為78.3mm。采用鐵氧體B25材料,常溫時最大磁感應(yīng)強度B_m=5100Gs。

3.2.1 確定變壓器匝比α

　　由V_INmin=24V、V_O1=5V、D_max=0.46得出α≈0.3。

3.2.2 初級繞組電感量

　　最大輸出功率為:

　　(4)

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??? 假設(shè)效率η按照85%計算,則輸入功率為:

　　設(shè)PWM控制最大占空比D_max=42%,如果初級繞組的電感量設(shè)計得大,則流過功率開關(guān)管和輸出濾波電容的電流峰值小,但由于電流上升斜率小,電路抗干擾能力差且功率開關(guān)管開通電流大;電感量小時,電流脈動大,沖擊電流大。因此設(shè)計電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài),輕負載時取額定功率的一半,由(2)式可知:

　　初級繞組的峰值電流為:

3.2.3 初、次級繞組匝數(shù)

　　初級繞組的電感的儲能為:

　　初級繞組匝數(shù)

　　其中,B_S為磁感應(yīng)強度，S_C為脈沖變壓器磁芯有效截面積：B_S=104Gs，S_C=0.847cm2。則由(6)式可知:

3.2.4 磁感應(yīng)強度范圍

　　由(7-1)、(7-2)以及(7-3)三式可知,當(dāng)VIN在24V～32V之間變化時,IL的工作范圍在1.62A～4.62A之間變化。

　　得:B的工作范圍為620Gs～1800Gs

??? 最高磁感應(yīng)強度大約是B_m的三分之一,設(shè)計是合理的。

3.3 開關(guān)電源電路特性分析

3.3.1 電流模式穩(wěn)定性

　　當(dāng)占空比大于50%時,所有電流模式控制器不可避免地要受到振蕩諧波的影響而導(dǎo)致不穩(wěn)定。為了消除振蕩諧波,在回掃式控制器應(yīng)用電路中,必須把初級線圈的電感量設(shè)計為大于最小值。其經(jīng)驗計算公式如下(單位為μH):

3.3.2 限流、短路保護

　　如果電感峰值電流大于限流值,控制器內(nèi)部集成的限流比較器將觸發(fā)邏輯控制電路,關(guān)斷NPN開關(guān)管的驅(qū)動輸出,起到很好的限流保護作用。

　　如果將輸出端直接短路,由于使用標準型號的變壓器,當(dāng)輸出電壓降至正常值的80%時,開關(guān)頻率將降至25kHz。更低的開關(guān)頻率將導(dǎo)致開關(guān)管截止時間更長,變壓器完全可以在開關(guān)管重新導(dǎo)通之前釋放掉儲存的全部能量。因此,在開關(guān)管重新導(dǎo)通時,變壓器中為零電流,在這種情況下,開關(guān)峰值電流限制電路將限制初級電感峰值電流,很好地起到了保護控制器的作用。在短路實驗中,控制器沒有明顯的過熱現(xiàn)象,恢復(fù)至正常情況時,電路仍可正常工作。

3.3.3 邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整與同步

　　通過控制“邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整”引腳1可進行邏輯關(guān)斷控制。當(dāng)3V以上的邏輯電平被加在引腳1上時,控制器便進入邏輯關(guān)斷狀態(tài)。因此,通過此引腳,可搭建簡單的外圍電路,構(gòu)成過電壓保護電路等。

　　開關(guān)頻率可以通過外接電阻R_SET在100kHz～200kHz之間調(diào)整,這個特點可以讓使用者根據(jù)工作頻率優(yōu)化磁存儲器以及電容器的尺寸、型號等。表2為不同的電阻值對應(yīng)的常用開關(guān)頻率。

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　　控制“頻率同步”引腳6,可使控制器與系統(tǒng)時鐘或其它開關(guān)模式的振蕩器信號同步。這個特點使得可以并聯(lián)使用多個設(shè)備,使其工作在同一個開關(guān)頻率下,極大地消除了相關(guān)頻率噪聲干擾,使開關(guān)諧波得到控制和協(xié)調(diào);同時獲得更多的輸出電壓值,擴大控制器的應(yīng)用范圍。

3.3.4 損耗功率、熱關(guān)斷

　　損耗功率PD主要取決于V_I、多路輸出最大負載電流之和ΣI_LOAD以及主功率線圈比N等,其近似計算公式如下:

???

　　控制器的結(jié)溫決定于環(huán)境溫度TA、封裝熱阻θ_JA(7腳TO-220封裝典型值為35～45℃/W)以及損耗功率P_D等,可近似計算如下:

　　在絕大多數(shù)應(yīng)用中,控制器并不需要使用散熱片來降低溫度,但當(dāng)控制器溫度超過其最大結(jié)溫時(典型值為150℃),控制器便進入熱關(guān)斷狀態(tài),迫使控制器停止工作,直到冷卻至允許開啟的溫度時才重新工作。也可加裝散熱片來提高控制器結(jié)溫,使控制器正常工作。

4 應(yīng)用效果

　　為了給控制器提供穩(wěn)定、連續(xù)的供電電壓,將大于100μF的存儲電容接至供電輸入端。將一個1.0μF的陶瓷旁路電容接在地與輸入端之間,且盡可能靠近控制器,或連成RC低通濾波器,能有效地消除由輸入電流脈沖產(chǎn)生的噪聲干擾。為了獲得更好的濾波效果,也可用參數(shù)為10μH/200mA的小電感代替電阻。

　　輸出電容則選擇大容量、低等效串聯(lián)電阻(<0.1Ω)的電容,可大大提高負載瞬態(tài)響應(yīng)特性,降低輸出電壓紋波。

為滿足電磁兼容性要求,可在電壓輸入端采用TVS瞬變電壓吸收二極管(1.5KE43A)和小型的抗干擾濾波器。

　　電源主要技術(shù)指標為:輸入電壓27V(18V～36V)。開關(guān)頻率100kHz。輸出電壓分A、B、C、D四組:A組+5V@4A,峰-峰值電壓紋波小于40mV;B組+12V@0.2A,峰-峰值電壓紋波小于50mV;C組-12V@0.2A,峰-峰值電壓紋波小于50mV;D組-32.5V@0.05A,峰-峰值電壓紋波小于200mV,效率(滿載)為87.1%。

　　該電源部件中的所有元器件組裝在362mm×160mm的板面里,元器件最大高度低于15mm,重量僅為0.21kg。電源經(jīng)過各項性能測試和高低溫實驗,并通過與計算機聯(lián)試,證明其各項性能指標均達到設(shè)計要求。

　　回掃式拓撲電路結(jié)構(gòu)無疑是目前比較理想的多路供電電源電路結(jié)構(gòu)。其峰值電感電流可檢測、輸出電壓擴展性強等特點,極大地提高了控制電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力,便于供電電源的設(shè)計。

　　本文所介紹的開關(guān)電源電路可廣泛應(yīng)用于便攜式儀器、通信設(shè)備、航空機載電子設(shè)備等需要±5V、±12V、±24V等多路電壓輸出,功率在幾十瓦左右的直流供電設(shè)備中,也可以作為模塊化電源設(shè)計電路,具有很大的推廣應(yīng)用價值。

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參考文獻

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