可自檢和自動(dòng)切換的雙路可調(diào)電源模塊

摘要 介紹了適用于航空技術(shù)，并具有自檢功能、可自動(dòng)切換的雙路可調(diào)電源模塊的設(shè)計(jì)方案和其用途、工作條件。分析了電路組成、工作原理、關(guān)鍵元器件的選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對外型結(jié)構(gòu)和技術(shù)難點(diǎn)上的問題給出了解決方案。實(shí)驗(yàn)證明，該產(chǎn)品應(yīng)用于飛機(jī)艙燈電源控制系統(tǒng)，具有易散熱、方便安裝、輸出穩(wěn)定可靠，引出端子規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、通用。且電網(wǎng)濾波具有抗電磁輻射干擾，各路輸出閉環(huán)穩(wěn)壓控制，使輸出穩(wěn)定、便于使用。
關(guān)鍵詞 自檢模塊；可切換；雙路可調(diào)電源

具有自檢功能且可自動(dòng)切換的雙路可調(diào)電源模塊，用于機(jī)艙照明電源控制系統(tǒng)。兩路可調(diào)輸出電壓能完成自檢功能，當(dāng)一路出現(xiàn)故障后可自動(dòng)切換至另一路。
(1)產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電源電壓為16～40 V；輸出電壓電流為+13．1～20 V／3 A；電源調(diào)整率為≤100 mV；負(fù)載調(diào)整率為≤250 mV；輸出紋波噪聲(峰-峰值)全部額定狀態(tài)下為200 mV；輸出最大功率為≥60 W；效率為≥80％；絕緣電阻為≥20 MΩ。
(2)產(chǎn)品環(huán)境條件：主體外形尺寸為143 mm×128 mm×32 mm；外殼工作溫度范圍為-55～+85 ℃；存儲(chǔ)溫度范圍為-55～+125 ℃；全金屬殼封。
(3)其他要求：引出端采用J18BW96T型插頭，模塊電源在每路設(shè)有過、欠壓和過流保護(hù)。

1 研制過程
設(shè)計(jì)主要依據(jù)技術(shù)協(xié)議書和SJ20668—1998《微電路模塊總規(guī)范》。
1．1 電路組成及工作原理
該電源模塊的基本電路原理如圖1所示，它由兩路正激式直流變換器組成。每塊分別采用UC公司的脈寬調(diào)制器組成振蕩電路控制MOS場效應(yīng)管，經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波、輸出，取樣反饋電路為主控的+20．4 V輸出回路，并通過D2二極管輸出。同時(shí)D2二極管輸出穩(wěn)壓跟蹤由取樣、放大和調(diào)整電路組成，分別并聯(lián)控制U101和U102的反饋端，并且電位器可調(diào)輸出(+13．1～20 V)。主控輸出的D103、V104、U105等組成欠壓關(guān)閉電路控制U102脈寬調(diào)制器的輸出，當(dāng)該回路的主控輸出出現(xiàn)故障，另一路開始輸出。D102、R123和U104組成主輸出的過壓保護(hù)電路，D202、R223和U204組成從輸出的過壓保護(hù)電路，V1、V2、D3、D4、D5和D8等組成過、欠壓故障指示?？紤]到體積、效率以及干擾的影響，電路的開關(guān)工作頻率為200 kHz，電路內(nèi)各開關(guān)點(diǎn)設(shè)有RC尖峰吸收網(wǎng)絡(luò)和抗電磁干擾的電網(wǎng)濾波，各路輸出均設(shè)有過流保護(hù)和軟啟動(dòng)電路，以提高電路的可靠性。圖1為其電原理圖。

1．2 關(guān)鍵元器件的選取
(1)該電路輸入電壓范圍瞬問最高達(dá)到40 V，所以要求輸入電容、供電j極管、MOS場效應(yīng)管耐壓較高，由此選電容耐壓≥100 V，三極管開關(guān)特性好。另外該電路開關(guān)頻率較高，故選取高壓MOS場效應(yīng)管作為主回路開關(guān)管。
(2)片電容均選用溫度特性穩(wěn)定的高頻電容NPO，大容量的濾波電容選用超陶(鎳電極)、獨(dú)石電容。且均為片式元件，以排除引線帶來的干擾，更好地降低輸出紋波。
(3)片電阻的選擇：該電路的大多片電阻均為高精度電阻，尤其是用以取樣比較、驅(qū)動(dòng)、防自激震蕩和釋放電阻，所以除了要考慮合理熱設(shè)計(jì)布局以外，還需考慮留有余位，便于調(diào)試修正。
(4)二極管的選擇：輸出整流開關(guān)二極管既要保證高頻特性好，又要求正向壓降低，故選擇大功率肖特基管。供電回路中穩(wěn)壓二極管選擇玻璃鈍化1 W管，高電壓開關(guān)管和分路供電二極管則選用1 N4148來保證其良好的開關(guān)特性。
1．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可靠性要求
該產(chǎn)品為飛機(jī)用品，要求體積小、重量輕、散熱快。依據(jù)以上特點(diǎn)，選用了合金鋁材作為殼體，且側(cè)壁厚加工成8 mm的M型鋁條，以減小熱阻。前、后面板由4個(gè)螺釘安裝在鋁條的端頭處，便于插座腳的對外引出。殼體蓋板用2 mm厚的鋁板螺釘緊固，便于模塊的安裝調(diào)試和維護(hù)拆卸，同時(shí)增強(qiáng)殼體的抗形變能力。
理論以整機(jī)的最高使用環(huán)境溫度為基準(zhǔn)；電路環(huán)境為飛機(jī)座艙環(huán)境。按照《國家軍用標(biāo)準(zhǔn)可靠性Ⅲ》可靠性預(yù)計(jì)理論計(jì)算，平均故障間隔時(shí)間為5．460 6×104小時(shí)。
該產(chǎn)品經(jīng)例行試驗(yàn)(標(biāo)志耐久性、可焊性、引出端強(qiáng)度、溫度循環(huán)、穩(wěn)態(tài)濕熱、掃頻振動(dòng)、機(jī)械沖擊及穩(wěn)態(tài)壽命等試驗(yàn))全部合格，證明產(chǎn)品的可靠性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)滿足了用戶需求。

2 技術(shù)難點(diǎn)和解決措施
2．1 電路模式與集成電路的選定
該產(chǎn)品與一般的備份均流電路不同，具有自檢測切換功能。為提高產(chǎn)品效率和避免同時(shí)工作的干擾，要求主路輸出時(shí)，從路不可工作。首先將各路設(shè)計(jì)為輸出分別取樣，反饋控制為+20．4 V，不能過壓；總輸出回路通過串聯(lián)U2、U3光電耦合器的取樣電路，分別并聯(lián)控制U101和U201的反饋端，總輸出取樣點(diǎn)低于各路取樣(+20．4 V)，經(jīng)多次試驗(yàn)比較，選取合適的電阻電容，控制集成電路可調(diào)輸出，最初干擾較強(qiáng)，尤其是紋波較大，無法穩(wěn)定輸出，若將從路完全關(guān)掉，又出現(xiàn)切換時(shí)瞬間掉電現(xiàn)象。通過調(diào)整電路組合，改變控制模式，最終選取主路欠壓切換電路控制從路待機(jī)工作，并通過精密計(jì)算和高、低溫試驗(yàn)以及電位器自身調(diào)整。經(jīng)論證和隔離要求，選定了基準(zhǔn)、光電耦合器等集成電路，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使產(chǎn)品效率得到提高。

2．2 工藝布局設(shè)計(jì)
按照熱設(shè)計(jì)的原則，要考慮分體模塊的完整，同時(shí)還應(yīng)考慮整體散熱布局和相互銜接。文中通過模擬試驗(yàn)和布局設(shè)計(jì)，確定將控制部件和對熱敏感元器件安裝在遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件位置。PCB板和鋁基板整體采用平面化表面組裝設(shè)計(jì)，盡量減少過長走線，利用PCB的雙面布線，背面盡量不設(shè)元器件，減小模塊厚度且便于粘接、調(diào)試。功率器件采用再流焊工藝，增大散熱區(qū)域。取樣電阻盡量靠近引出端，提高輸出負(fù)載穩(wěn)定度。端口增設(shè)無感電容，減少輸出尖峰干擾。輸入口增設(shè)濾波網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)各模塊設(shè)有二次濾波，增強(qiáng)抗電磁干擾和相互輻射干擾。鋁基板調(diào)整完用硅膠表面涂敷，后用填充料固化保護(hù)。通過上述的對應(yīng)措施，使本產(chǎn)品工作更為可靠，進(jìn)一步提高了各項(xiàng)指標(biāo)。

3 結(jié)束語
該產(chǎn)品用于飛機(jī)艙燈電源控制系統(tǒng)，因其獨(dú)特的專用性，無法與同類產(chǎn)品比較，但針對原分立器件組裝的大功率變換器電源，除保證原有的電性能以外，還有以下特點(diǎn)：
(1)易散熱、安裝方便。專用96線多備份航空插座和防插錯(cuò)端口，使產(chǎn)品安全可靠。整體效率高。由于各路輸入、輸出分別控制，可維修性、可測試性、綜合保障性得以發(fā)揮。
(2)重量輕，機(jī)械性能可靠。由于采用全表面貼裝結(jié)構(gòu)，元器件全部小型化、微型化，使之重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分立器件，同時(shí)結(jié)構(gòu)散熱為8 mm厚鋁材，兩方向各有6個(gè)M3緊固，使抗振動(dòng)沖擊能力增強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)元器件引線振動(dòng)沖裂和模塊松散。
(3)輸出穩(wěn)定可靠，引出端子規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、通用。且各有電網(wǎng)濾波抗電磁輻射干擾，各路輸出閉環(huán)穩(wěn)壓控制使輸出穩(wěn)定，便于使用。
同時(shí)該產(chǎn)品的研制成功具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。且產(chǎn)品可推廣應(yīng)用至其他相關(guān)領(lǐng)域，具有一定的應(yīng)用前景。