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关闭窗口 关键词：电源模块；二次直流电源；可靠性
引 言
航空和军用电子设备一般是28V母线供电，需要设计二次电源为不同电路提供各种精细的直流稳压电源。由于电源对提高产品的可靠性至关重要，在设计二次直流电源时从DC/DC转换模块型号的选取和外围电路元器件参数的选择均应从可靠性设计的角度考虑。详细讨论提高二次电源可靠性设计方面需考虑的问题。
电源模块的选型
确定模块的种类
目前，航空和军用DC/DC转换模块的生产厂家很多，在用DC/DC转换模块进行二次直流电源设计时，首先是根据产品的实际需要确定DC/DC转换模块的类型。航空和军用DC/DC电源模块可以分为两大类：
(1)是经筛选的全军用密封DC/DC电源模块;
(2)是准军用DC/DC电源模块。
经筛选的全军用密封DC/DC电源模块，具有很高的技术条件和很宽的温度范围。为了获得较好的一致性，这类模块在工艺、制造、测试等方面都有非常严格的质量要求。在工艺方面，这类模块采用混合电路工艺制作。为了使其能承受非常严格的环境条件，特别是- 55℃～+ 125℃极宽的工作温度范围，把DC/DC转换模块密封在金属外壳内。在生产和测试方面，每一只模块都遵守一些严格的要求，这些要求主要是在美国军标 MIL各个专门的范围内提出的。比如：装备(MIL-STD-1772)；加工程序(MIL-STD-38534)；筛选(MIL-STD-883C)。当然，这类模块的价格比较昂贵。在一些超过额定工作温度或极端的机械条件的应用中，经筛选的全军用密封DC/DC电源模块很可能具有较长的寿命。但是，装在印刷电路上的高可靠电子设备，不需要严格遵守可靠性要求时，在目前军用设备的价格压力下，准军用DC/DC电源模块是一种越来越有效的解决方案。准军用DC/DC电源模块工作于较窄的温度范围(- 40～+ 105℃)，根据工艺的要求，不需要采用0沁合电路，也不需要密封封装。在生产和测试方面，质量要求包括与产品鉴定方案一起的设备总的质量认证。准军用DC/DC电源模块价格相对比较便宜。
总之，在实际设计二次直流电源时，应根据产品的可靠性要求，特别是使用温度范围，参考价格，尽量选用可靠性高的DC/DC电源模块。
选择模块型号
DC/DC转换模块型号的选择应从4个方面考虑，即额定输入电压和输入电压范围；所需的额定输出电压；输出功率；印制电路板的尺寸。
确定电源模块的输入、输出电压后，计算负载所需的额定功率和启动电流。从可靠性的角度考虑，如果负载所需的启动电流不大于正常工作电流的120%， DC/DC转换模块实际负载为额定负载的60%～70%比较合适。比如当需要的实际功率为10W时，应选择额定功率不小于15W的DC/DC转换模块。
如果印制电路板的尺寸不受限制，尽量选用单路输出型模块。
输入电路的设计
用DC/DC转换模块设计的二次电源典型输入电路如图1所示，主要包括输入保护电路和滤波电路。
输入保护电路
输入保护电路一般由保险丝和二极管组成。保险丝F1的作用是提供安全保护。一般应串入模块电源的输入端。保险丝的规格一般选取1.5～2倍的额定电流，如果模块工作在一个相当宽的输入电压范围，则保险丝应选择2倍的额定电流。最好选择自恢复型保险丝。
为了使二次电源在输入线路反接时不至于损坏，电路设计时应在输入端加反极性保护电路。一般由二极管组成。当电源反接时，二极管D1导通，则保险丝F1容断。在器件选择上，D1的电流应大于F1的保护电流，否则D1起不到极性保护作用。
当二次电源是为一次使用的军品供电时(如导弹)，在研制初期可以加保护电路，定型之后最好把保护电路去掉。因为这类产品在实际使用时，保护对它不但无益，反而有害。
输入滤波电路
DC/DC 转换模块一般先把直流转换为高频交流，再把高频交流转换为稳定直流，容易形成各种噪声，在输入端表现为传导噪声和辐射噪声。输入滤波电路主要作用是减小输入噪声和阻止二次电源向输入电源反馈的噪声。输入滤波器一般采用EMI滤波器，主要由共态扼流圈L1、跨接线路电容C1、C4以及线路高通滤波电容C2、 C3组成。
L1用于滤除低频共态噪声，它的磁芯一般采用高频铁氧体磁性材料。由于铁氧体磁性材料没有涡流的影响，高频率仍能保持较高的导磁率，缺点是弱磁场容易饱和，但是L1在绕制时采用双线并绕的方式，即在一个闭合磁路的磁芯上绕制相同电感量的两个绕阻，电源电流经两个绕阻产生相反磁通，相互抵消，防止磁芯饱和。对于共态噪声。互感系数产生磁通相互增强，即电感量增强，能很好的抑制共态噪声。L1的共态扼流圈的电感量一般由所要抑制的噪声电平的下限频率(DC/DC转换模块的基波频率)确定，下限频率越高，所需要的电感量越小，粗略对应值见表1。
跨接线路电容C1、C4主要用于滤除低频正态噪声。C4一般选取0.1～1.0uF的低阻抗无极性瓷片电容。C1除滤波作用外，当输入电压由于某种原因出现瞬间跌落或浪涌时，也为二次电源提供一定时间的维持电压。C1一般选择低等效串联电阻的电解电容。该电容的耐压应大于1.3倍的最大输入电压，最小容量可由以下公式估算：
C(UF)= 400/最小输入电压(V)
线路高通滤波电容C2、C3用于滤除高频共态和正态噪声，需要采用ESL值较小的高压两端子或三端子电容。三端子电容器的滤波效果非常好，原因是电容的高电位端接有输入、输出两根引线，高电位端有剩余电感，此电感作为T 型低通滤波器的电感，可有效利用它作为滤波元件。C2、C3最好放在紧靠DC/DC转换模块的电压输入端。
输出电路
二次电源的输出高频噪声(表现为纹波)可能向空间辐射成为辐射噪声，过大时造成作为负载的电子设备出现故障。为此，二次直流电源的输出应包括平滑电路和EMI滤波电路。电路图如图2所示。
EMI 滤波电路同输入滤波电路。L3的磁芯一般采用金属磁粉磁性材料，这种磁性材料导磁率高，固有阻抗低。输出电容的耐压一般以大于额定输出电压的2倍为宜。 C8 的容量与负载的额定功率、要求的输出纹波大小等有关。最小容量可由以下公式估算：C(UF)= 10×[额定功率(W)×纹波峰2峰值(mv)/输出电压
冗余备份设计
为提高二次电源的可靠性，在设计、生产过程中要遵守严格的工艺。所用元器件严格按军品条件来选用，经过筛选后，方能装配和调试；充分考虑热设计，对功率器件采取必要的散热措施；电源整机刷涂三防漆，加强直流电源的防蚀性和防湿性，对直流电源的元器件加强固定措施；直流电源要严格进行老化试验和高、低温试验。
其它可靠性措施
为提高二次电源的可靠性，在设计、生产过程中要遵守严格的工艺。所用元器件严格按军品条件来选用，经过筛选后，方能装配和调试；充分考虑热设计，对功率器件采取必要的散热措施；电源整机刷涂三防漆，加强直流电源的防蚀性和防湿性，对直流电源的元器件加强固定措施；直流电源要严格进行老化试验和高、低温试验。
二次直流电源可靠性设计的前景
随着DC/DC转换模块的不断发展，特别是高频化、电路集成化、计算机仿真设计与控制、软开关、同步整流、扁平变压器和嵌入式磁元件等技术、工艺的发展和引用，DC/DC转换模块的体积将变得更小，转换效率会更高，电子兼容性更好，可靠性更有保证，这些都势必会推动二次直流电源可靠性的发展。
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