一種用于航天工程的二次電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

分散式二次電源系統(tǒng)是相對(duì)于集中供電而言的，航天器系統(tǒng)大都采用分散供電的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可從單一的28V總線給航天器各分系統(tǒng)供電，而不需要為每種電壓貫穿整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)布線。

隨著CMOS器件的普及，許多印制電路板需要+5V和12V或+24V等規(guī)格的直流電壓，這意味著單機(jī)需要一個(gè)比較集中的電源以滿足工作要求。CMOS器件的特點(diǎn)是僅在開關(guān)瞬間需要較大的功率，因此就近放置一個(gè)電源比用一個(gè)低電壓集中電源長(zhǎng)距離供電，可以降低配線電感和電阻所引起的壓降，而分散供電的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)正可以滿足這一設(shè)計(jì)要求。

分散供電設(shè)計(jì)總的原則簡(jiǎn)單明了，但是當(dāng)電源從集中移到各應(yīng)用點(diǎn)的時(shí)候，從變換器本身產(chǎn)生的傳導(dǎo)和反射紋波需要測(cè)量和控制，系統(tǒng)各單機(jī)電磁兼容性問題在設(shè)計(jì)中也必須解決。

目前，DC/DC變換器在衛(wèi)星等航天工程項(xiàng)目電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用已經(jīng)非常普遍，其可以不受輸入電壓和負(fù)載波動(dòng)的影響而提供穩(wěn)定的輸出電壓。同時(shí)，DC/DC變換器在變換過程中使用了變壓器進(jìn)行電隔離，可以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受隔離故障的影響。

本文所述電路就是基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種用于航天器的二次電源系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)確定的工程系統(tǒng)，如果其電路中包含CMOS器件、運(yùn)算放大器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等部分，則+5V、12V和+24V電源一般來說是必須的。本設(shè)計(jì)基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器（見圖1）。

圖1 電路原理圖

開關(guān)電源變換器是窄帶頻譜輸入噪聲電流的天然發(fā)生器，具有開關(guān)頻率基波分量及其高次諧波分量。大部分INTERPOINT電源變換器內(nèi)部都具有一級(jí)LC 輸入線濾波器，將噪聲成分減低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪聲電流或者要求滿足GJB151.3-86或其他EMI規(guī)范時(shí)，還需要附加外部電源線濾波器。只要不超過濾波器的額定線電流和布局不受限制，多個(gè)電源變換器可以共用一個(gè)濾波器。圖1所示電路中的DC/DC變換器分別為MSA2805S和MSA2812D，三個(gè)DC/DC變換器共用一個(gè)FMH461濾波器。

圖1中，L1*A、L1*B和L1*C為一個(gè)三繞組電感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分別為兩繞組電感。FUSE1和FUSE2為保險(xiǎn)絲。

1 電源輸入電路分析

在一次電源輸入的+28V線上，增加了兩個(gè)保險(xiǎn)絲作為短路保護(hù)元件，在保證降額設(shè)計(jì)（如50%余量）的要求下，其熔值可視二次電源負(fù)載而定，如3A或5A。其中一個(gè)保險(xiǎn)絲和電阻1R3串聯(lián)，1R3阻值取0.15Ω，則兩個(gè)保險(xiǎn)絲為冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)負(fù)載異常而導(dǎo)致瞬間電流過大時(shí)，由于電流是從FUSE1保險(xiǎn)絲流過，故FUSE1熔斷。異常情況消失后，F(xiàn)USE2仍然可以保證系統(tǒng)的正常工作。

2 電源輸出電路分析

為了得到+5V、12V和+24V電源，電路中選用了MSA2805S和MSA2812D兩種DC/DC變換器。在獲取需要電源的同時(shí)，還需要注意噪聲的濾除。

共模噪聲主要是因?yàn)殡姼欣@組間存在電容、電源器件內(nèi)部存在寄生電容等原因而產(chǎn)生的。

各DC/DC變換器的輸入回線上分別加旁路電容到DC/DC變換器外殼地，以濾除共模噪聲。輸入旁路電容可將機(jī)殼上的共模電流引回到輸入回線上，減小輻射。
各DC/DC變換器的電源輸出端，分別加了電感、旁路電容和極間電容，以濾除輸出線對(duì)上的差模噪聲和共模噪聲。各電感的繞組的匝數(shù)和漏感分別相等，磁環(huán)為鐵氧體軟磁性材料。

3 電磁兼容性分析

+28V輸入電源和DC/DC變換器之間通過FMH-461隔離，F(xiàn)MH-461是INTERPOINT公司生產(chǎn)的電磁干擾（EMI）濾波器，可以減小DC/DC變換器產(chǎn)生的高頻反射紋波電流對(duì)公用輸入母線+28V電源線的干擾，對(duì)電源線傳導(dǎo)發(fā)射和電場(chǎng)輻射發(fā)射有效。同時(shí)，為減小電磁干擾，濾波器的外殼地必須與DC/DC變換器的外殼地低阻導(dǎo)通。圖1所示電路中，直接將DC/DC變換器和濾波器的外殼短接。

測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)于圖1基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的電路，在試驗(yàn)室中分別對(duì)電源系統(tǒng)的輸出電壓和輸出紋波進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，在文中設(shè)計(jì)的電路中，DC/DC變換器輸出電壓的紋波在全帶寬情況下，最大為135.48mV，而在限定帶寬60MHz時(shí)，紋波不超過20mV，完全滿足電路元器件正常工作對(duì)電源的要求。

結(jié)語

本文所述的一種用于航天器的二次電源系統(tǒng)是基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該電源系統(tǒng)已經(jīng)成功用于航天器的有效載荷，并通過了電源線傳導(dǎo)敏感度（CS101）、電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）、電場(chǎng)輻射發(fā)射（RE102）和電場(chǎng)輻射敏感度（RS103）等EMC試驗(yàn)項(xiàng)目，滿足航天產(chǎn)品的EMC試驗(yàn)要求。

文中設(shè)計(jì)的電源電路充分考慮了器件備份、母線電源的安全性、電磁干擾等因素，滿足航天產(chǎn)品的可靠性、效率、浪涌和紋波、電磁兼容性的要求，獲得了滿意的結(jié)果。