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一種多路輸出軍用車載電源的設(shè)計

作者: 時間:2011-03-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/197488.htm

本文提到的是一種輸入輸出均為低壓大電流的雙路DC/DC開關(guān)電源。輸入電壓9~15V,輸出電壓2路:一路24V;一路5V。24V輸出又同時供給三路負載;輸入電壓又直接供給兩路負載,如圖1所示。

圖1 電路框圖

考慮到輸出獨立保護的要求,本電源采用了兩路獨立的電路結(jié)構(gòu),24V輸出功率較大采用Forward,5V輸出功率較小采用Flyback。

下面就電路中一些特殊的設(shè)計做一些介紹。

2 散熱器設(shè)計

散熱方式是電源產(chǎn)品設(shè)計中首先需要考慮的部分,因為,它關(guān)系著電路設(shè)計中元器件的選取,PCB的設(shè)計等一系列問題。通常的電源產(chǎn)品都采用風扇冷卻,這樣可以達到比較好的散熱效果。

本文提到的,由于長期工作在震動和沖擊的環(huán)境下,采用風扇冷卻會影響電源系統(tǒng)的可靠性,因此,采用自然冷卻的散熱結(jié)構(gòu)。整個裝置的散熱器結(jié)構(gòu)安排如圖2所示。功率半導(dǎo)體器件放在PCB板的背面并緊貼底板,直接通過底板散熱,底板采用厚鋁材料,整個裝置安裝在大鐵板上(裝甲車)。裝置的兩側(cè)用帶翼的散熱片,兼起支撐作用。這樣整個散熱器的安排不但能達到比較好的散熱效果,還可以充分利用PCB板的空間,一定程度上減少了整個裝置的體積。

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)

3 三重過流保護

由于是,對裝置的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高,所以,采用了三重過流保護,即微秒級保護、毫秒級保護及秒級保護。

3.1 微秒級保護

微秒級保護是指電源出現(xiàn)輸出過流或者短路時,在一個開關(guān)周期內(nèi)就能進行保護。因為,通常開關(guān)周期都是設(shè)計為微秒級,所以,稱此保護為微秒級保護。具體的實施方法如圖3所示,峰值電流控制信號連到PWM芯片L5991[1]的腳ISE,當腳ISE的電壓大于1V時,L5991輸出就為低電平,從而關(guān)斷開關(guān)管。此保護在每個開關(guān)周期進行判斷,因此,反應(yīng)速度比較快,用以保護瞬間的過流。

圖3 電流峰值保護及恒流保護電路

3.2 毫秒級保護

毫秒級保護是指PI環(huán)的恒流保護,它的保護時間一般在幾十到幾百個開關(guān)周期,這里就稱它為毫秒級保護。由于取樣電流峰值保護是單周保護,穩(wěn)定性不是很好,只能對過渡過程的過流進行有效的保護。因此,針對較長時間的短路或過流,在這里采用PI環(huán)的恒流保護還是很有必要的。圖3虛線框內(nèi)為恒流保護電路,它利用峰值電流控制中的電流信號作為輸入信號,通過一個由D1,R1C1組成的峰值保持電路和由運放組成的PI環(huán)節(jié)得到一個誤差信號,在變換器的輸出電流超過限定值的時候,該誤差信號就會控制PWM芯片的占空比,從而使輸出電流保持在限定值。由于D2存在,當輸出電流低于限流值時,該部分電路對占空比的控制不起作用。

3.3 秒級保護

秒級保護是指電路中的自恢復(fù)保險絲保護(自恢復(fù)保險絲的保護時間在幾秒以上),如圖1所示。當電路處于上述的恒流保護,如果時間過長會使裝置過熱,若按照過流保護來做熱設(shè)計會增加裝置的成本。因此,對于長時間(幾秒以上)的短路或過流,需要用保險絲進行保護。本裝置中采用的是自恢復(fù)保險絲,當負載恢復(fù)正常時,自恢復(fù)保險絲也能恢復(fù)到正常導(dǎo)通狀態(tài)。采用自恢復(fù)保險絲的另外一個原因是裝置要求的每路負載獨立保護,當一路過流保護時,該路的自恢復(fù)保險絲斷開,其他幾路還能正常工作。5V那一路沒加自恢復(fù)保險絲是考慮到它本身就只有一路負載,可以通過微秒級和毫秒級實現(xiàn)保護,另外由于5V輸出電壓比較小,加上自恢復(fù)保險絲會影響其輸出調(diào)整率。

4 RCD/RC雙重吸收

反激變換器由于變壓器漏感的存在,當開關(guān)管關(guān)斷時,開關(guān)管的D-S兩端會產(chǎn)生比較高的電壓尖峰。這個電壓尖峰增大了開關(guān)管的電壓應(yīng)力,同時又會產(chǎn)生電磁干擾,因此,必須采用吸收電路加以抑制。RCD吸收電路由于簡潔且易實現(xiàn),在小功率場合是比較常用的。RCD吸收反激變換器如圖4所示。從圖6中可以看到,加RCD吸收電路以后,開關(guān)管D-S兩端的電壓尖峰大大地減少了,但是,同時也產(chǎn)生了新的更高頻率的振蕩,究其原因是變壓器原邊漏感與二極管的結(jié)電容諧振引起的。從電磁兼容考慮該振蕩必須加以抑制。改變R,C,D的參數(shù)對新的振蕩的影響并不大,因此,需要附加其它電路來抑制,在開關(guān)管D-S兩端加上RC吸收電路在實驗中取得了比較理想的效果。圖5即為RCD/RC雙重吸收電路,圖7所示的是RCD吸收反激變換器和RCD/RC雙重吸收反激變換器開關(guān)管Vds的實驗波形。

圖4 RCD吸收電路

圖 5RCD/RC雙重吸收電路


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