一种国产化电源组件电路研制

一种国产化电源组件电路研制

张馨少,郭青,曲阳

陕西华经微电子股份有限公司 陕西西安 710065

摘要：详细介绍了用于多普勒雷达的具有高可靠性的国产化电源组件，包括电源组件设计、外型结构、关键技术攻关及出现的问题后的解决方法等。

关键词：国产化、电源组件、高可靠

1．概述

具有高可靠性的国产化电源组件，是我公司为客户定制多普勒雷达配套产品。该产品用于雷达各子系统供电单元，将+28V母线电源电压转换为独立的五路的电压输出，连接到雷达各子系统，起到供电的作用，具备自检功能。

2.1产品组成及主要功能

该电源组件为整机提供五路直流稳压电源。

2.1该产品的主要技术指标如下：

1）工作电压：VCC=+18V～+36V；

2）输出电压：输出1路:+5V±0.25V；输出2路:-12V±0.5V；输出3路：+12VRX±0.5V；输出4路：+12VTX±0.5V；输出5路：+1.5V+0.2V；

3）输出电流：IO1=3A；IO2=1A；IO3=1.5A；IO4=1.5A；IO5=7A；

4）纹波电压：VR1≤2mV；VR2≤5mV；VR3≤5mV；VR4≤5mV；VR5≤2mV；

5）电压调整率：SV1≤0.5%；SV2≤0.3%、SV3≤0.3%、SV4≤0.3%；SV5≤1%；

6）负载调整率：SI1≤2.5%；SI2≤1.5%；SI3≤1.5%；SI4≤1.5%；SI5≤12%；

7）温度系数：αT1～αT4≤0.02%/℃、αT5≤0.03%/℃；

8）自检电压：控制端接地3.3V≤VZJ1～VZJ5≤4.2V;控制端悬空0V≤VZJ1～VZJ5≤0.3V;

9）重量：≤380g。

10）外形尺寸：长×宽×高≤121mm×91mm×31mm

3.设计原理

3.1设计原理

电源组件由五路独立的电源模块组成，分别为：输出1路：+5V±0.25V/3A；输出2路：-12V±0.5V/1A；输出3路：+12V±0.5V/1.5A；输出4路：+12V±0.5V/1.5A；输出5路：+1.5V+0.2V/7A；其中输出4路单独受控，其余各路整体受控。

各模块电源基本电路原理相同，属于单端正激式脉宽调制DC/DC变换器模块电源，由输入滤波、启动电路、脉宽调制器电路、保护电路、取样反馈电路以及输出滤波电路等组成，具有限流保护功能，电路原理图见图1。

稳压过程：当输出电压VO发生变化时，R14、R15取样电压也发生变化，此电压输入基准源N3，与N3内部的基准电压相比较，经过高倍误差放大，转换为电流，作用于光耦N2，再经N2内部隔离反馈，通过改变PWM调制器N1的脉宽，调整功率开关管的导通占空比，从而达到稳定电压的目的。

启动和自供电电路的设计：PWM调制器集成块IC1的7脚为自供电电源输入端。启动时，由R1、R2、V1、V3组成稳压源供电。PWM控制器的工作电压最高被限制在13.5V，同时考虑到MOS开关管的最佳工作电压为10V，所以确定给IC1集成电路的供电电压为11.3V左右，由此确定为IC1集成电路供电的线性稳压供电部分的参数。

取样反馈电路的设计：稳压取样反馈环路中，R14、R15、N3决定输出电压，要求选用高精度元件。取样电路实际上是一个电阻分压器，电阻的大小及精度直接影响输出电压VO及其精度。取样电阻的计算，VO=VREF（R14+R15）/R15，其中VREF为基准电压2.495V。

取样电路的电流应远大于基准取样端吸入电流IREF（对于UE431，这个值在微安级，小于1.2μA）。因为吸入电流太大会造成电路的损耗也会增大。综合这两方面的原因考虑取值和计算方便，通常设计IK流过取样电路的电流为10mA以内。取样电路分压器的变化会引起稳压电源输出电压的变动。为了保证模块输出电压的稳定性，必须采用温度系数小的电阻。

3.2结构设计方案

考虑到产品散热和振动的要求，将底座中间工字面作为散热面，将五个模块紧贴在上面，用螺丝紧固，模块引脚焊接到PCB上；同时将PCB的四角和中间用螺丝固定在外壳上。采用全金属封装结构工艺，具有良好的电磁屏蔽效果。专用接插件，可防误插损伤设计，保证了产品的正常使用。

4.关键技术攻关情况

4.1国产化选型工作

排查国内生产厂家各自生产成熟且具有一定质量保证的元器件厂商，并进行考察、评价和试验。国内生产电容的厂家主要有北京元六、泉州火炬、株洲宏达等；生产二极管、三极管、MOS管的厂家主要有济南半导体、873厂、辽宁芯诺等；生产电阻的厂家主要有云科、四川永星等；生产光电耦合器的厂家有北光、中电44所等；生产连接器的有陕西华达、贵航等。同时国产化电子元器件规格比例≥100%，国产化电子元器件数量比例≥100%。

4.2热设计、可靠性问题

多路产品功率较大，要使热量能均匀散发出去，不出现局部过热的问题，合理的热设计是其主要工作，同时提高产品的可靠性也是其主要工作。

考虑到体积小功率大的要求，底座中间工字面作为散热面，将五个模块紧贴在上面，用螺丝紧固，模块引脚焊接到PCB上；同时将PCB的四个角和中间用螺丝固定在外壳上。如此布局后，模块的热量可以均匀的分布在整个产品中并散出去，大大减小了由于热效应对产品产生的老化作用，从而延长产品的使用寿命，提高了可靠性；同时可以有效的利用空间，使产品实现小型化。

5出现的技术难点、关键问题解决

5.1控制端二极管反向击穿问题

在产品试验阶段整机进行电磁兼容输入端加200V尖峰试验过程中，该产品控制端二极管反向击穿，模块电源各路均无输出，导致整机出现不工作现象。从控制端电压监控数据分析，由于整机某一处高压串扰或感应到控制端处，才导致二极管反向击穿，最终电源模块各路均无输出。针对上述原因，我们采取的措施是：①控制电路中增加电容C（104/250V）来吸收串扰或感应高压；②改变二极管，选用电流大于80毫安、反向耐压大于250V的二极管。

5.2低温工作时输入电流打表保护问题

在整机低温工作时，该产品出现输入电流打表保护，输出电压不能完全建立，导致整机不能正常工作。

单独测试该产品，从输入电流监控数据分析，由于整机提供的输入电源电压从0V开始上升，当上升到8～9V时，产品开始启动，到11～12V时，输出电压基本建立；在输出功率不变的情况下，输入电压越低，输入电流越大，在输出电压刚建立时，输入电流最大。在低温下，输出电压的值一般会比常温值高，从而使功率增大，同时产品的效率也较常温稍低。因此在低温下，在输入电压相同的情况下，输入电流比常温大，所以启动电流也比常温大，致使输入电流打表保护。

针对以上原因通过理论计算和反复试验发现，在电路中增加滞回电路可以有效消除低温输入启动电流过大的问题。引入电阻分压支路到比较器同相输入端，当分压大于等于上限触发电压时电路开始工作，这样就不会因为整机输入端提供低电压启动导致启动输入电流过大的问题。

6.结束语

国高可靠产化电源组件，具有多路输出且整机电磁环境干净，相互干扰小；多路输出热设计分布合理，热量均衡散布；多路输出一体化模块设计，具有很强的维修性和通用性，可根据需求任意组装；多路输出电压、环路稳定，受整机负载变化干扰小；大面积载体通过计算各点振动应力，来合理设计元器件的大小和分布位置，抗振动能力强；重量轻、可靠性高；产品内部元器件的100%国产化等特点。该产品的研发为公司带来了较好的经济效益，同时在国产化器件选型、试验、验证方面作了一定的工作。可在其他领域进行广泛推广，具有一定的应用前景和市场前景。

参考文献

[1]AbrahamI.Pressman.《开关电源设计》.电子工业出版社.北京.2005.09

[2]方佩敏、张国华.最新集成电路应用.电子工业出版社.北京.2011.05.16.

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