采用MC34065设计的AIS船载通讯设备电源

林海青，方文逸，刘树展

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

船舶自动识别系统(以下简称AIS)是一种船舶导航设备，由主机、显示终端(KDU)以及船用VHF天线组成，配合全球定位系统(GPS)将航向、航线、航速、航名、吃水、危险货物等船舶信息向附近水域的船舶及岸台广播，同时在电子海图上可视化显示附近的船舶信息[1，2]。

考虑到海上无线电信号的发射接收应答，AIS电源对灵敏度、线性度、动态范围等指标都有较高要求，同时在启动发射功能时需要的功率较大，所以在要求电源输出大电流的同时，对电源的电磁兼容要求比较高。

本文选用双通道单路可关断使能的开关电源控制器MC34065，选取合适的拓扑结构，通过合理的PCB布局避免两路输出互相干扰，使用滤波器过滤纹波，最后进行实验对该电源性能进行了验证。

1 技术指标

AIS电源的具体技术指标如下：

1)输入电源:标称值24 V(DC)，极端条件下为24 V(DC) +10%/-20%；

2)输出电源：

输出电源1: +13 V±0.25 V，纹波≤20 mV，最大负载电流6 A(发射时) 5%占空比，最长130 ms；

输出电源2：+5 V±0.05 V，纹波≤10 mV，最大负载电流2 A；

3)适应环境:温度范围-15 ℃～+55 ℃ (工作状态),-55 ℃～+85 ℃ (存储状态)；

4)具有过流、过压保护功能。

2 总体方案设计

2．1 控制芯片选型

综合具体技术指标的要求，5 V回路精度要求高，13 V回路输出电流大，且纹波要求小。拟采用两路单独的PWM反馈方式较为合适，若使用两路UC3842电源控制集成电路的方式，两路不同振荡频率间的拍频干扰会使输出回路的纹波变大，同时也会使电源的电磁兼容EMC劣化。虽然采用两路UC3842可以外时钟同步运行方式来解决拍频干扰的问题，但会使电路设计变得复杂，影响可靠性。为此，我们采用同一时钟频率下的高性能双通道电流方式控制器MC34065[3]的设计。

MC34065是高性能、固定频率、双电流模式控制器，是为离线及直流到直流转换器应用而专门设计的，通过最少的外部元件，提供给设计者一种经济的实用手段。这些集成电路具有下述特性:适于精确占空比限定及频率控制的单值振荡器、温度补偿基准、两个高增益误差放大器、两个电流传感比较器、驱动输出的激活引脚以及适合于驱动功率MOSFET的两个高电流推挽输出端[4]。另外,本器件保护特性包括:带滞后的输入及带滞后的基准欠压锁定、接周期的限流、以及每个输出端用于单个脉冲计数的锁存器。其结构框图如图1所示。

图1 MC34065结构框图

高性能双通道电流方式控制器MC34065可以看成是由单一频率下的两片UC3844电流方式控制器构成的。需要指出的是MC34065第14脚驱动输出使能，可以控制13 V高功率发射模块的供电电路，使AIS电源在系统接收无线信号时关断，以减少发射回路的干扰，同时也降低了电源电路的待机功耗[4]。因此，MC34065是一款特别适合AIS电源控制要求的开关电源芯片。

2.2 电源拓扑设计

(1)正激式变换器

图2 正激式变换器

正激式变换器如图2所示，其工作原理如下：当开关管导通时，初级能量通过变压器耦合和二极管VD向次级传递，同时电感L储能；开关管关断时，电感L中的能量使续流二极管VD1导通，从而向负载释放能量[5]。N3通过VD2释放变压器磁心中的剩磁能量，防止磁饱和。正激式变换器常用于输出大电流的场合，但需要较大的储能电感。

(2)反激式变换器

反激式变换器如图3所示。反激式变换器的变压器相当于一对相互耦合的储能电感线圈，当开关管导通时，二极管VD截止，初级线圈N1开始储能；当开关管关断时，N1使次级线圈N2产生感应电压，使得VD导通，能量向负载供应[5]。反激式变压器的缺点是，当输出电压较大时，N1线圈上会根据变压器匝比产生感应电动势，从而使开关管承受较大的电压应力。

图3 反激式变换器

AIS电源主要根据两路负载的具体要求，采用与以往不同的设计方式，5 V回路功率比较小，采用隔离单端反激式变换电路；13 V功率比较大，无线电信号发射时电流达6 A，采用单端正激式变换电路，电源的原理图如图4所示。

2.3 纹波抑制

由于AIS电源的特殊性，对于无线电接收机来说它的纹波要求特别小，所以我们在电源的输出端采用由两级差模电容和一级共模电感构成的滤波器，进一步降低输出纹波电压的同时，又在输出端加入平衡双线滤波器(以下简称BDL滤波器)[6]。

图4 原理图

BDL滤波器是一种采用独特专利结构设计的EMC滤波器，拥有全频段优异特性，可代替多种滤波器的解决方案。其器件符号如图5所示。图6为BDL滤波器与片式多层陶瓷电容器(MLCC)的滤波效果对比，可见BDL滤波器可以明显减小纹波。

图5 BDL滤波器符号

图6 BDL滤波器滤波效果同MLCC对比

另外，在绘制AIS电源印刷线路板时，严格按照开关电源的设计准则，在放置元器件时充分考虑电磁元件的相互干涉性，输入输出工作回路有效面积最小，精心排布将电源输出纹波降低到最小，以满足用户需要，器件排布如图7所示。

图7 AIS电源元器件排列图

3 实验验证

制作完成样机后进行了实验验证，开关管波形如图8所示，其中CH1(下方)为5 V反激式波形，CH2(上方)为13 V正激式波形。输出纹波分别如图9、图10所示，5 V输出纹波为5.15 mV，13 V输出纹波为19.2 mV。

图8 开关管波形

图9 5 V回路纹波

图10 13 V回路纹波

4 结 语

本文介绍了AIS船载通讯设备对于电源的EMC和输出能力的要求，通过横向对比选取了合理的电源拓扑，并通过控制芯片的驱动控制功能、设计滤波器、加入BDL滤波器、合理化PCB排布等方式尽可能降低纹波。实验证明，该电源的性能满足指标要求，具有较好的工程价值。