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基于模块电源的低压电源系统设计

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2017年10月11日 14:59

1 引言


        随着科学技术的不断发展,各种电子设备和电子器件.逐渐向着集成化、小型化、轻型化方向发展.本文所要介绍的就是利用当今电子器件的这些优势,设计研制出的一种多路输出、体积小、功率大、精度高的低压电源。


2 电源用途和供电方案的考虑


        本文所要介绍的低压电源是为某系统设计的,该系统所需的低压电源种类有+15V、-15V、+5V、-5V四种。总功率为200多瓦,用电单元包括:射频产生器、中频接收机、射频调制器、微波单元、整流变换器单元、参考振荡器、测试单元1和测试单元2、收发信处接口单元、高压控制器、逻辑单元、调制器控制单元,其中供给射频产生器和中频接收机用的电源,对精度的要求较高,输出的纹波电压峰一峰值不超过2 mV,其它用电单元对电源精度的要求相对低些,输出的纹波电压峰一峰值不超过10 mV。在结构方面.电源放置在机柜内,机柜留给安放该电源的空间很小.所以电源不能做的太大,鉴于以上所述的对电源的要求,做出既能满足精度要求又能满足体积要求的电源,确定正确的供电方案,无疑是电源设计的重要环节。
        如何选择供电方案,根据电源的实际用途,考虑到供给射频产生器和中频接收机的电源对精度的要求较高,经过认真考虑和反复试验,了解各用电单元的具体需要,最终确定了切实可行的供电方案,把四个品种的电源分成八路来做。对要求较高的电源采用高精度的线性电源来实现,而对其它电源则采用效率高的开关电源来实现.各路电源的具体参数如表1所列。


 
3 方案的实施及工作原理


        根据已确定的供电方案,具体实施的方法是将电源分成三大块,第一块为线性电源块,将四路高精度电源做在一块印制板上,其余的做成一块+15V电源和一块+5V电源,这两块均为开关电源。
线性电源采用性能优良、可靠性高、使用方便的三端可调集成稳压器来做,三端串联集成稳压器是一个典型的负反馈调节系统,其工作原理框图如图1所示。
 


        取样电路取到输出电压的变化量后,与标准的基准电压进行比较且放大,再把经放大的误差信号送给调整电路。调整电路通过改变调整管两端的电压来达到稳压的目的。另外,在三端集成稳压器中还设有过热、过流及短路保护等电路,使得应用起来更可靠、更安全。根据负载轻重的不同,可选用不同型号的三端集成稳压器。线性电源的电路图如图2所示。


 
图中.输出电压


 
        通过调节电位器RP1使输出电压达到额定的电压值。为了保证线性电源具有良好的负载调整率特性,电阻R3的上端应直接接到稳压器的输出端。另外,还要特别注意 :R2、R3应是同种材料制成的电阻,而且阻值精度及特性应尽量选用高指标的。
开关电源采用中电华星提供的Vicor模块电源.电路框图如图3所示。


 
        交流输入电压经前端整流模块VI-AIM整流为未稳压的直流输出。然后再由DC-DC变换器模块(VI-2XX系列或VI-JXX系列)变换成所需的稳定的直流输出,最后通过超低噪声的输出纹波衰减模块(VI-RAM)得到满足精度要求的直流输出。
开关电源的电路图如图4所示。


 
        根据输出电压和功率的不同,选用VI-2XX或VI-JXX系列不同的DC/DC变换器模块.利用电阻R5 、R6 和电位器RP1来设置下调和上调的范围。RP1用标准的10 kΩ电位器,下面说明如何设置可调范围,以下调α%为例:


 
        由电阻R5确定不同的下调范围VICOR变换器模块采用零电流开关技术,变换器基本方框图如下所示,当开关管导通时,能量会从输入直流电源传到LC谐振电路,开关管导通后,流过开关管的电流为半波正弦波,从而使开关电源在零电流状态下导通,并且当电流下降为零时,开关管关断。由于功率开关管在打开或关断时的电流为零,所以大大降低了开关损耗,使模块电源的效率高于80%,功率密度比传统的变换器高出十倍以上。除此之外,VICOR变换器模块还设有过压、过流保护功能,使用起来更安全更可靠。


4 电源变压器的选用


        在线性电源中,还要用到工频变压器。二十世纪80年代,出现了园截面铁芯的R型变压器,如今R型变压器已成为世界上最为理想的电子电源变压器,其特点如下:
 

漏磁小


园截面的漏磁场较矩形截面要小很多。与EI型变压器相比,R型的漏磁只有EI型的10%。


损耗小、温升低


R型铁芯中间无断面,不存在气隙,故有效导磁率比EI型和C型高,铁芯的激磁电流小,铁损小。


体积小、重量轻(呈扁薄型)


R型与EI相比,体积小30%,重量轻40%.厚度上薄40%,这种小、轻、薄的新型结构,给电源安装带来了极大的便利。
噪声小、安全可靠:R型变压器不需用紧固件,可使噪声降到最低限度。
鉴于R型变压器如上诸多优点.在设计时我们选用了R型变压器。


5 电磁兼容的考虑


        在调试零电源的过程中,首先对三块电源分别进行调试,在各自的指标均达到设计要求后,再把它们组装到一起开机工作,这时就会发现线性电源和开关电源的指标都会有所下降,我们知道任何电源都会产生干扰,尤其是开关电源,产生上述现象的原因是由于各电源均不同程度地受到了与其处于同一电磁环境中其他电源的干扰。为了消除和减小这种干扰,我们应在电磁兼容性方面多予以考虑。
        噪声干扰分为传导噪声和辐射噪声,传导噪声又可分为共模传导噪声和差模传导噪声.对于中电华星提供的VICOR模块电源来说,共模传导噪声是指存在在模块正负输入端之同方向电流分量,会产生辐射磁场,减小共模电流的最有效方法是:在正负输入引线到模块基板之间接人”Y,t电容,同时为了减小寄生电感,线应当尽可能短。差模传导噪声电流是与每个输入端电流方向相反的电流分量,模块只需外接一个容量较小的电容器,便可减少差模传导噪声,外界电容应当尽量靠近模块,以减小磁通环路的截面积。对于传导干扰还可通过良好的接地来消除,因此,对于中电华星提供的VICOR模块,加紧接地螺钉,增加接地面也可达到很好的效果。
        辐射噪声分为电场辐射噪声和磁场辐射噪声,电场辐射噪声是由电压变化率dv/dt引起的,是一种近场噪声,噪声随着离开噪声源的距离增加而迅速衰减,磁场辐射噪声是由高的电流变化率di/dt引起的,由于模块采用了零电流开关技术。把电流的不连续波型减至最少,故电流变化率di/dt很小 另外,正确布置印刷电路板上的各种元件.也可以减弱辐射噪声。
        线性电源中,变压器存在漏磁,我们除了采用R型变压器外,还将电源变压器用铜铂外包起来,屏蔽掉变压器的漏磁,使电源达到技术要求。
        此外在每块电源的输入端加装适当的电网滤波器,以便减小电源本身对电网以及来自电网和其它电源的干扰,结构设计上,在线性电源与开关电源之间用一块铝薄板隔离,以减小彼此的干扰。通过采用以上措施,电源的性能指标有了明显的改善。


 
6 设计调试中出现的问题及解决办法


        (1)线性集成稳压器和其他半导体器件一样,存在着温度漂移问题,为了克服温度漂移使输出电压更加精确,调试时,应在满载工作情况下,待热平衡后调整RP1 (见图2)使负载上得到额定的电压值,这样做可部分的克服稳压器温飘的影响。
        (2)在调试中电华星提供的VICOR模块的+15 V 6.5 A的电源时,有时会出现振荡现象,破坏电源的稳压性能,为了避免振荡的产生,可在VI-262 DC/DC变换器模块的”-S”与”-OUT”之间接一个25 V 10μF 的片状电容(如图6所示),即可消除振荡。


 
(3)中电华星提供的VICOR模块VI-JXX系列DC/DC变换器模块的空载性能较差,可通过增加一固定的很小死负载的办法来改善其空载性能。
(4)滤波器在安装时应尽量不使滤波器电源端和负载端的电线捆扎在一起,以免加剧滤波器输人、输出端的电磁耦合,破坏滤波器对EMI信号的抑制能力。另外,要求滤波器的外壳与系统地之间有良好的电气连接,尽量避免使用过长接地线。使滤波器对EMI信号的抑制能力不受破坏。


7 结束语


线性稳压电源具有线路简单、动态响应快、纹波小、干扰小和稳压性能好等优点,但是存在效率低、体积大等缺点。而开关电源效率高、体积小、重量轻,但瞬态响应较差、干扰大,因而在应用上受到了一定的限制,该电源的设计思想就是合理的将两者结合起来,使其发挥各自的优点,避开各自的缺点,以满足使用要求。
该电源通过了-40℃和+50℃的环境温度试验.应力筛选和振动试验,并在某系统的实际工作中运作良好,可靠性高,故障率低。电源结构设计合理,紧凑,体积小,由于使用了F-2封装型的管座,使更换三端稳压器变的简单方便,另外,三块电源各成一体,对于某一部分电源的故障可以单独拿出进行维修,而且卸装方便。当然还有一些不足之处.有待今后改进。

 

 

 

 

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