机载加卸载设备电源设计与实现

张立辉　张守鹏　张旭　白杨

摘要：为了满足机载加卸载设备高效率、低成本、高可靠的供电要求，对电源各功能电路进行了详细分析和设计，为加卸载设备的供电问题提供了一个比较好的解决方法。应用结果表明，电源各项技术指标完全满足加卸载设备供电要求。

关键词：网络滤波；储能；传导干扰；辐射干扰；尖峰抑制

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）10-0222-03

随着各种工艺的发展、系统的工作频率越来越高，机载电子设备单位面积PCB上的器件密度和功耗也越来越大，同时机载设备要求具有高可靠性、高安全性要求机载设备的电源电路设计需要考虑系统没有出现使性能降低超出规定要求的任何不正常和故障的工作状态。除电起动主发动机和蓄电池起动辅助动力装置的状态外，应达到飞机所要求的全部系统功能。针对此问题，本文就机载设备在充分考虑尖峰、浪涌、过压、正常瞬变和非正常瞬变等外部条件下，提出一种满足飞机供电特性的符合性、兼容性设计的实现方法，保证了机载设备供电的稳定性和可靠性。

1 电路设计

1.1 硬件电路实现

机载加卸载设备电源硬件电路主要由输入滤波保护电路、隔离电压变换电路、抗尖峰保护电路、抗过压浪涌保护电路、辅助电源电路、抗供电中断电路和储能保持电路组成，设计电路原理框图如图1所示。

1.2 电路详细设计

1.2.1 输入保护滤波电路

机载电源模块的输入端保护功能，是通过保险丝来实现的，在电路中选用5V输入端保险丝（FU1）。

5V的输出电流为2A，0.8为保险丝系数，0.85为保险丝的温度系数，输入电压28V的下限为18V，设定5V电源的效率为85%，计算见公式（1）：

IFU4=5V·2.2A/（0.85·18V·0.8·0.9）=1A……公式 （1）

电源模块在输入加电的瞬间会有启动浪涌电流，在选择输入保险丝要留出相应余量，因此，FU1可以选用3A的保险丝。

机载电源模块的输入端滤波功能，是通过前段安装滤波器来实现的，在电路中选用具有防雷功能的滤波器MF1C3D-DCDL-2A。

1.2.2 抗尖峰保护电路

根据设计要求，在正常供电条件下，用电设备会经受电网正常电压尖峰冲击。当输入尖峰脉冲（±600V 10us）后，电源模块应能够正常工作。抗尖峰脉冲电路原理框图如图2所示。

抗尖峰保护电路选择的瞬态抑制器型号为（G）SY6061A，其击穿电压为82V，瞬时功率可达1.5KW。

1.2.3 抗过压浪涌电路

在非正常供电条件下，机载加卸载设备会经受电网非正常电压瞬变冲击。当输入过压浪涌后，用电设备应不发生任何故障，电源模块输入过压保护电路原理图如图3所示。

该部分电路的设计主要是通过加入的输入过压保护电路来完成的。

在钳位升压电路的作用下，将辅助电源输入电压，升到36V，将36V作为钳位参考电压加到场效应管的G极。当正常28V输入供电的时候，开关功率管的G脚电压为36V，该管处于饱和导通状态，28V输入电压顺利加到给后端各功率转换模块供电；当电源输入端出现过压浪涌时，开关功率管G脚电压仍稳定在36V上，从而将其源极S脚电压钳位为32V，保护后端DC/DC变换电路不受损坏，使过压浪涌得到抑制。

1.2.4 抗供电中断电路

在输入直流28V用电设备在其供电出现规定时间内掉电时，用电设备应保持原正常工作时的工作性能。此项功能是为了满足DO-160G中16章供电中断试验要求。

为了满足输入电压在供电正常范围内任意点掉电，均满足50ms掉电要求，并考虑到减小产品重量，在新电路中设计了升压储能电路，减小了电容器的容量、体积及重量。升压储能电路的原理框图如图4所示。

供电正常时，由供电电源通过二极管D1向掉电保持电路充电，同时，升压电路产生的36V也向掉电保持电路充电，场效应管D2关断，电路处于只充电不放电状态，当供电电源低于18V时，供电电压检测控制电路产生一个高电平信号驱动场效应管D2，此时场效应管D2的漏源级导通，掉电保持电路向后端电压变换电路放电，以维持50ms掉电要求。

1.2.5 辅助电源电路

辅助电源是用于电源电路内部芯片供电，辅助电源的原理图如图6所示。辅助电源是通过输入电压经过线性变化转化而来，与输入电源共地，输入电压（28V_S）通过限流电阻R98与稳压管VE3相连接，给三极管栅极提供经过稳压的+12V电压，这样可在场效应管V19发射极可得到较为稳定的+11V的电压，再经过电容C58，C59滤波，便可得到符合电源模块内部使用的辅助电源（VSTART），输入从18V～32V变化时，辅助电源的变化范围为10V～12V。

1.2.6 隔离电压变换电路

为了节省机上的能源和空间，减轻重量，在电源设计时DC/DC电路我们选用开关频率较高、在零电流开关（软开关）方式下工作的单路输出电源模块。该电源模块以软开关方式工作，有很低的dv/dt、di/dt，有利于降低传导噪声和磁场辐射干扰，有利于EMC问题的解决[1]。主电路中采用1个电源模块实现从28V转换为+5V的输出。

主电路中采用一个28V DC/DC变换器实现从28V转换为5V的输出，28V转5VDC/DC变换器型号是DVTR2805SF，输入电压范围15V～50V，效率大于72%，负载调整率为0.2%，技术指标完全满足设计要求。DC/DC转换芯片LTM4600实现+5V电压到+3.3V、+1V、+1.5V、+1.8V、+2.5V几档电压的转换。

1.3 电源热设计

电源热设计在该电路中也不能忽视。如果热设计不好，有些功率器件上的温升会很高，器件的使用寿命就会缩短，影响可靠性，另外发热器件布局不当，尤其是一些敏感的器件或电路受温度的影响，将会影响电性能。

本电路的热设计主要考虑了以下几点：

a. 设计时尽量将发热量大的器件安装在冷板的边沿地方，以减小热阻；

b. 5V DC/DC电路的输出电流达2.2A，因此在该部分电路EDA设计时，布线尽量多用粗线和填充，且填充应尽量放在顶层和底层，以便散热。

1.4 电磁兼容性设计

机载电子设备的迅速发展，大大提高了飞机的性能。由于机载加卸载设备的增加，随之产生的电磁干扰（EMI）会使该区域内的设备或分系统失效或出现故障，从而导致整个系统性能降低或预期的任务不能完成。由于开关电源具有高的dv/dt、di/dt，对外界产生强的传导干扰和磁场幅射干扰，在电路及结构设计时应充分考虑电源线传导干扰CE102和CS101、CS106的要求，将其干扰抑制在允许的范围之内。

1.4.1 减少传导干扰的有效方法

传导噪声是指经输入电压源及电源之间的交流电流，它包括共模噪声和差模噪声。输入共模传导噪声是指存在于模块正负输入端之间的同方向，同相位的电流分量。该电流从DC/DC变换器流出，经输入电源线流入供电电源，然后又经接地的模块外壳或输出线返回到变换器。该电流可能产生面积很大的磁通闭合环路。共模传导噪声与变换器的开关元件电压变化率dv/dt及输入和输出间等效电容有关。在正负输入引线到模块外壳之间接入“Y”级旁路电容C19，C20（4700pF）是降低共模电流的有效方法之一[2]，如图7所示。

1.4.2 辐射噪声

辐射噪声可能是电场辐射噪声，也可能是磁场辐射噪声。磁场辐射噪声是由高的电流变化率di/dt引起的。为了减少磁场辐射，应尽可能地选择谐振型电源模块，因为它的电流波形为正弦波（或半正弦波），具有低的di/dt。

1.4.3 去耦

合理地分布印制板上各种元件可以减弱辐射噪声，小信号线要远离噪声源，而且输入、输出线尽可能的远离。

1.4.4 屏蔽

在电源结构设计时，采用低电阻的铝金属材料把整个电源屏蔽起来，以减少内外电导线的影响和高频电磁场的幅射。

1.4.5 EMI滤波器的正确安装

电源滤波器能有效地抑制供电电网传导到电源和计算机的干扰，并能抑制电源本身和计算机产生的EMI进入电网，污染电磁环境和其它用电设备的双重功能。除选择性能良好的滤波器件外，滤波器的安装显得尤为重要。在安装滤波器时最大的特点是借助设备的屏蔽，把EMI滤波器的输入端和输出端隔离开来，并且把输入和输出端间可能存在的电磁耦合降至最低程度。将EMI滤波器安装在机载加卸载设备的机箱前面板能有效地降低电源传导干扰和幅射干扰。

2 试验验证

通过电源特性、电磁兼容试验对机载加卸载设备电源电路设计进行验证。电源特性试验项目包括：正常供电特性试验、非正常供电特性试验和电流冲击试验；电磁兼容试验项目包括：CE102、CS101、CS106、RE102和RS103。试验结果表明：机载加卸载设备能够满足在系统要求的电应力和磁场作用下正常、可靠工作。

3 结束语

本文从机载设备电源要求出发，详细介绍了加卸载设备电源电路的滤波、抗尖峰、扛过压浪涌、抗供电中断、储能和电磁兼容等方面的详细设计， 给出了机载加卸载设备电源的实现方法。实验测试结果表明，该电源各项指标均符合系统要求，现已在实际应用中得到验证。此电源系统能够较好满足该加卸载设备的供电需求，并对其他机载设备电源设计有一定的指导作用。

参考文献：

[1] 王永平，付敏江. 开关电源稳压原理—原理设计与实用电路[M].西安： 西安电子科技大学出版社，2001.

[2] 姚信安，胡世平，宋飞，等.高性能计算机电源系统的设计与实现[J].计算机应用，2012，32（4）.