摘? 要: 根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的特點(diǎn),簡(jiǎn)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(duì)空間敏感的小型機(jī)載計(jì)算機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)。此外,對(duì)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(jì)和相關(guān)理論進(jìn)行了一定的分析和探討。
關(guān)鍵詞: 機(jī)載計(jì)算機(jī)? 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(biāo)。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(jī)載計(jì)算機(jī)主機(jī)已越來(lái)越小型化，這就對(duì)其電源部件的體積和重量提出了進(jìn)一步小型化的要求。機(jī)載計(jì)算機(jī)是一種抗惡劣環(huán)境的計(jì)算機(jī),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(shí)還要耐振動(dòng)、耐撞擊、抗電磁干擾等。
1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的技術(shù)要求
某機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)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(diǎn),必須設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì),圖1為其典型電路結(jié)構(gòu)。此電路簡(jiǎn)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(cè)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(jì)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(shí)(TON),電流流過(guò)變壓器T1的初級(jí)線圈N1,變壓器將能量以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存起來(lái),由于初、次級(jí)圈相位不同,所以當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)線圈時(shí),次級(jí)線圈N2中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)Q1截止時(shí)(TOFF),消失的磁場(chǎng)使初、次級(jí)線圈中電壓極性反轉(zhuǎn),整流二極管VD導(dǎo)通,電流通過(guò)VD流向負(fù)載,變壓器的能量釋放,提供負(fù)載電壓、電流。控制器占空比為:
其中,VF為二極管正向壓降;VSAT為Q1飽和電壓降;VO為輸出電壓;VIN為輸入電壓。
電流臨界連續(xù)時(shí),初級(jí)繞組電感量為:
其中,fOSC為開關(guān)頻率" title="開關(guān)頻率">開關(guān)頻率;POmin為輕負(fù)載時(shí)輸出功率;η為轉(zhuǎn)換效率;VINmin為最小輸入電壓;Dmax為最大占空比。
3 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一種能夠滿足多路供電電壓輸出而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的高集成度電源的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)流、過(guò)熱、低電壓鎖定,還包括軟啟動(dòng)、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(jì)
設(shè)計(jì)的某機(jī)載計(jì)算機(jī)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(gè)繞組:N1為初級(jí)繞組,N2、N3、N4、N5為次級(jí)繞組,分別對(duì)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(diǎn),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(jì)是整個(gè)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(jì)。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(zhǎng)度為78.3mm。采用鐵氧體B25材料,常溫時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=5100Gs。
3.2.1 確定變壓器匝比α
由VINmin=24V、VO1=5V、Dmax=0.46得出α≈0.3。
3.2.2 初級(jí)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(jì)算,則輸入功率為:
設(shè)PWM控制最大占空比Dmax=42%,如果初級(jí)繞組的電感量設(shè)計(jì)得大,則流過(guò)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(shí),電流脈動(dòng)大,沖擊電流大。因此設(shè)計(jì)電感電流工作在連續(xù)工作狀態(tài),輕負(fù)載時(shí)取額定功率的一半,由(2)式可知:
初級(jí)繞組的峰值電流為:
3.2.3 初、次級(jí)繞組匝數(shù)
初級(jí)繞組的電感的儲(chǔ)能為:
初級(jí)繞組匝數(shù)
其中,BS為磁感應(yīng)強(qiáng)度，SC為脈沖變壓器磁芯有效截面積：BS=104Gs，SC=0.847cm2。則由(6)式可知:
3.2.4 磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí),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(qiáng)度大約是Bm的三分之一,設(shè)計(jì)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(shí),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(jí)線圈的電感量設(shè)計(jì)為大于最小值。其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下(單位為μH):
3.3.2 限流、短路保護(hù)
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(dòng)輸出,起到很好的限流保護(hù)作用。
如果將輸出端直接短路,由于使用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的變壓器,當(dāng)輸出電壓降至正常值的80%時(shí),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(shí)間更長(zhǎng),變壓器完全可以在開關(guān)管重新導(dǎo)通之前釋放掉儲(chǔ)存的全部能量。因此,在開關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí),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(jí)電感峰值電流,很好地起到了保護(hù)控制器的作用。在短路實(shí)驗(yàn)中,控制器沒(méi)有明顯的過(guò)熱現(xiàn)象,恢復(fù)至正常情況時(shí),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(guò)控制“邏輯關(guān)斷、頻率調(diào)整”引腳1可進(jìn)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(shí),控制器便進(jìn)入邏輯關(guān)斷狀態(tài)。因此,通過(guò)此引腳,可搭建簡(jiǎn)單的外圍電路,構(gòu)成過(guò)電壓保護(hù)電路等。
開關(guān)頻率可以通過(guò)外接電阻RSET在100kHz～200kHz之間調(diào)整,這個(gè)特點(diǎn)可以讓使用者根據(jù)工作頻率優(yōu)化磁存儲(chǔ)器以及電容器的尺寸、型號(hào)等。表2為不同的電阻值對(duì)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(shí)鐘或其它開關(guān)模式的振蕩器信號(hào)同步。這個(gè)特點(diǎn)使得可以并聯(lián)使用多個(gè)設(shè)備,使其工作在同一個(gè)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(shí)獲得更多的輸出電壓值,擴(kuò)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VI、多路輸出最大負(fù)載電流之和ΣILOAD以及主功率線圈比N等,其近似計(jì)算公式如下:
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控制器的結(jié)溫決定于環(huán)境溫度TA、封裝熱阻θJA(7腳TO-220封裝典型值為35～45℃/W)以及損耗功率PD等,可近似計(jì)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(lái)降低溫度,但當(dāng)控制器溫度超過(guò)其最大結(jié)溫時(shí)(典型值為150℃),控制器便進(jìn)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(shí)才重新工作。也可加裝散熱片來(lái)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(chǔ)電容接至供電輸入端。將一個(gè)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(fù)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(biāo)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?jī)H為0.21kg。電源經(jīng)過(guò)各項(xiàng)性能測(cè)試和高低溫實(shí)驗(yàn),并通過(guò)與計(jì)算機(jī)聯(lián)試,證明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
回掃式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)無(wú)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(cè)、輸出電壓擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),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(jì)。
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(jī)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(jì)電路,具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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