航天電子設(shè)備二次電源電路設(shè)計(jì)的方案解析

　　1、引言

　　在衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈等航天平臺(tái)中， 電子設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越多， 功能越來(lái)越復(fù)雜， 設(shè)備內(nèi)部電路的供電需求各異， 而平臺(tái)一般只提供單組電壓供電， 需電子設(shè)備自行進(jìn)行電源變換。航天器平臺(tái)能源有限，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)制約因素之一， 設(shè)備電源效率非常重要; 另一方面， 航天器平臺(tái)供電特性的差異較大， 二次電源需經(jīng)受電壓起伏、過(guò)沖、浪涌等考驗(yàn)， 因此， 對(duì)航天電子設(shè)備的二次電源要求越來(lái)越高。

　　隨著專(zhuān)業(yè)分工越來(lái)越細(xì)， 二次電源的DC/ DC 變換器技術(shù)相對(duì)成熟， 國(guó)內(nèi)外有許多專(zhuān)業(yè)公司提供高可靠的系列產(chǎn)品， 如Vicor、lamda、IR、cosel、中電華星等公司的產(chǎn)品覆蓋了工業(yè)級(jí)到宇航級(jí); 國(guó)內(nèi)也有系列型譜的電源變換器， 整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般選用成品電源， 不再將電源變換器的具體實(shí)現(xiàn)作為研制重點(diǎn)。但是， 成品電源模塊在航天電子設(shè)備中的使用仍需關(guān)注， 如果電源使用不當(dāng)， 產(chǎn)生的某些故障模式可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作， 甚至系統(tǒng)崩潰; 同時(shí)， 電源也是電磁干擾（ EMI） 麻煩的制造者和受害者， 開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波分量是設(shè)備內(nèi)部主要污染源之一， 電源也易受其它干擾污染， 一旦電源系統(tǒng)受到EMI 污染， 它將擴(kuò)散到電路的各部分， 影響設(shè)備性能。

　　因此， 在航天電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中， 二次電源模塊往往需要配合外圍保護(hù)電路使用， 保護(hù)電路在設(shè)備中的作用包括改善電源變換器的供電環(huán)境和電磁兼容性（ EMC） 、保證設(shè)備安全、隔離故障電源對(duì)系統(tǒng)的影響等。合理選擇電源保護(hù)電路將有助于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。本文將通過(guò)分析不同平臺(tái)的供電環(huán)境結(jié)合具體工程實(shí)例討論航天電子設(shè)備電源輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

　　2 、航天電子設(shè)備的供電環(huán)境分析

　　衛(wèi)星、火箭（ 導(dǎo)彈） 等飛行過(guò)程中采用的電源形式主要有化學(xué)電源、燃料和核能、光伏電源三大類(lèi)，絕大多數(shù)衛(wèi)星采用光伏電源， 火箭、導(dǎo)彈一般采用化學(xué)電源。發(fā)射準(zhǔn)備和地面測(cè)試階段則使用地面電源或由發(fā)射平臺(tái)（ 如飛機(jī)、艦船） 提供電源， 本文主要針對(duì)這幾種供電情況的設(shè)備進(jìn)行分析。

　　衛(wèi)星的光伏電源系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能電池、蓄電池、功率調(diào)節(jié)及充電裝置等部分， 雖然電源受在不同光照角下充電差異和衛(wèi)星進(jìn)入地影區(qū)放電過(guò)程的影響， 由于有完善的電源控制電路， 衛(wèi)星的供電波動(dòng)較小; 但是， 衛(wèi)星平臺(tái)要求各種設(shè)備一次地（ 供電負(fù)母線） 與二次地（ 二次電源和信號(hào)地） 隔離，DC/ DC 變換器的反射紋波較大， 供電母線受到污染， 各用電設(shè)備應(yīng)予以關(guān)注。

　　火箭（ 導(dǎo)彈） 飛行過(guò)程中一般采用鋅/ 氧化銀等形式的化學(xué)蓄電池一次性工作， 電池在發(fā)射準(zhǔn)備階段并激活電池并充電， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 電池容量的選擇需要考慮電池放電深度、設(shè)備飛行全程總消耗能量等因素， 原則是任務(wù)壽命末期放電電壓必須高于設(shè)備可工作的最低電壓， 并考慮一定余量， 對(duì)用電設(shè)備而言， 需要考慮的是蓄電池充電后放電初期電源較高， 而工作末期的輸出電壓偏低， 特別是充電后初始放電過(guò)程。

　　航天電子設(shè)備在發(fā)射前的供電方式與發(fā)射平臺(tái)形式相關(guān)， 如果是采用陸基固定發(fā)射方式， 發(fā)射前地面工作階段飛行器上的設(shè)備通過(guò)脫插由地面模擬電源供電， 由于地面供電網(wǎng)穩(wěn)定性好， 其供電品質(zhì)容易得到保證， 直流電壓的波動(dòng)極小， 但是， 也可能存在長(zhǎng)線耦合干擾等電源污染， 對(duì)于這種情況， 用電設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足GJB151A 標(biāo)準(zhǔn)的要求; 另一種是移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（飛機(jī)、艦船） ， 發(fā)射前依靠平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換直流電源供電， 一般供電品質(zhì)稍差， 容易出現(xiàn)幅度波動(dòng)、工頻的高次分量干擾、頻率偏差等情況， 如機(jī)載巡航導(dǎo)彈，彈載設(shè)備的電源適應(yīng)性要求符合GJB181A 標(biāo)準(zhǔn)。

　　3 、電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)的一般原則

　　正如前面所述， 電源電路包括電源變換器本身和短路保護(hù)、干擾濾波、瞬態(tài)抑制等外圍電路組成，外圍電路既有用在電源變換器輸入端的， 也有用在輸出端的， 由于變換器輸出端一般只需要采取常規(guī)濾波、扼流措施， 多數(shù)情況可集成到變換器內(nèi)部。為了便于論述， 將變換器之外的外圍電路稱(chēng)為電源保護(hù)電路。下面主要針對(duì)變換器輸入端的輸入保護(hù)電路， 分別介紹開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理和對(duì)輸入保護(hù)電路的通用要求。

　　3. 1 開(kāi)關(guān)電源工作原理

　　DC/DC 電源變換器按工作方式分為開(kāi)關(guān)和線性?xún)纱箢?lèi)， 由于效率和平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求等原因， 航天電子設(shè)備上一般都選擇隔離型開(kāi)關(guān)電源變換器，開(kāi)關(guān)電源采用調(diào)制解調(diào)開(kāi)關(guān)模式或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換形式，變換得到電路工作所需的各組電壓。以開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電源為例， 基本工作原理為： 由集成控制電路產(chǎn)生電源內(nèi)部所有的控制信號(hào)， 電源初級(jí)建立振蕩并通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)初級(jí)到次級(jí)能量傳遞， 次級(jí)進(jìn)行整流濾波輸出， 由輸出端取樣反饋各控制電路， 由其控制初級(jí)開(kāi)關(guān)管接通時(shí)間（ 對(duì)應(yīng)從電源取能時(shí)間） 實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。電源初級(jí)采用的開(kāi)關(guān)管一般選用VMOS 管， 其耐壓和抗大電流沖擊的性能較好， 比如蓋雅公司的小功率VMOS 管標(biāo)稱(chēng)耐壓值在100 V， 電流可達(dá)8 A，更高一檔器件參數(shù)高達(dá)200 V/ 16 A。因此， 通常DC/ DC 電源變換器可適應(yīng)寬輸入電壓（ 航天器平臺(tái)供電常用為18~ 36 V） 工作， 并具有好的浪涌抑制能力。各專(zhuān)業(yè)電源廠家推出了大量標(biāo)準(zhǔn)的DC/ DC 變換器組件系列， 既有單組輸出的， 也有多組輸出電壓的。本文討論電源電路立足于以標(biāo)準(zhǔn)DC/ DC 變換器和外圍電路構(gòu)建。

　　但是， 所有開(kāi)關(guān)模式的電源變換器在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲， 其開(kāi)關(guān)頻率的選擇在數(shù)十到數(shù)百千赫之間， 電源變換器會(huì)向輸入母線傳導(dǎo)發(fā)射開(kāi)關(guān)噪聲及其諧波 ， 如果處理不好將會(huì)對(duì)設(shè)備工作信號(hào)造成干擾， 在使用標(biāo)準(zhǔn)DC/ DC 電源變換器的同時(shí)， 需要精心設(shè)計(jì)電源輸入電路。

　　3. 2 電源輸入電路通用要求

　　根據(jù)航天器平臺(tái)供電特性， 在航天電子設(shè)備中電源變換器外圍電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮完成以下功能。

　?。?1） 抑制外界的干擾、浪涌

　　防止電子設(shè)備受到由供電母線帶來(lái)的干擾和設(shè)備加斷電產(chǎn)生的浪涌。

　?。?2） 輸入電壓箝位

　　在輸入電壓偏高時(shí)， 防止加到電源模塊上的供電電壓超出其正常工作電壓范圍， 保護(hù)電源模塊不損壞。

　　（ 3） 隔離設(shè)備供電故障

　　當(dāng)設(shè)備電源或后級(jí)電路出現(xiàn)短路時(shí)， 能將該設(shè)備從系統(tǒng)供電連接中斷開(kāi)， 防止設(shè)備內(nèi)部短路拖垮系統(tǒng)電源。

　?。?4） 減小干擾信號(hào)反射

　　防止DC/ DC 電源變換器開(kāi)關(guān)噪聲等信號(hào)干擾、污染系統(tǒng)電源。

　　4 、典型航天電子設(shè)備電源輸入電路設(shè)計(jì)

　　在航天電子設(shè)備中， 因?yàn)檠b備的平臺(tái)不同， 使用要求各異， 設(shè)備電源及輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)也不相同，下面分別對(duì)星載、箭（ 彈） 載設(shè)備常用的電源電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

　　4. 1 星載設(shè)備電源輸入電路設(shè)計(jì)

　　太陽(yáng)電池是現(xiàn)代衛(wèi)星最常用的能源獲取方式，光伏電源系統(tǒng)本身具備儲(chǔ)能、調(diào)壓等管理， 平臺(tái)供電的品質(zhì)相對(duì)較好。星載設(shè)備對(duì)電源除了前文提到的通用要求以外， 需主要考慮高可靠長(zhǎng)壽命、供電母線與信號(hào)地隔離等要求， 因此， 在星載設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)中， 會(huì)采用主備（ 冷備份） 冗余方式盡量消除單點(diǎn);同時(shí)， 由于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)體積重量、功耗、熱設(shè)計(jì)的高要求， 對(duì)電源電路設(shè)計(jì)提出了很多限制條件。

　　綜合各種因素， 星載設(shè)備電源輸入電路需要提供母線短路保護(hù)功能， 并具有抗瞬態(tài)過(guò)載能力; 盡量消除單點(diǎn)失效模式， 對(duì)可靠性不夠高的電路元件等采取備份冗余; 具有良好的EMI 抑制性能， 對(duì)差模、共模干擾具有較好抑制效果。為了獲得良好EMI抑制效果， 一般選用與DC/ DC 變換器配對(duì)使用帶封裝的標(biāo)準(zhǔn)EMI 濾波器。電源輸入電路一般由熔斷器、電阻、磁保持繼電器和EMI 濾波器幾部分組成。熔斷器采用兩支路并聯(lián)， 一路為單熔斷器， 另一路為電阻與熔斷器串聯(lián)結(jié)構(gòu)， 通過(guò)此電路達(dá)到隔離設(shè)備供電母線短路故障目的， 并能適應(yīng)瞬態(tài)過(guò)載情況; 通過(guò)由系統(tǒng)提供主/ 備加斷電控制信號(hào)控制磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)主備切換， 并用多組觸點(diǎn)串并聯(lián)方式消除單點(diǎn)， 為減小電源部分的體積重量， 多數(shù)情況可多組電源共用EMI 濾波器， 當(dāng)然這需要在EMI 抑制性能和體積重量進(jìn)行綜合平衡。典型的電源電路連接關(guān)x系如圖1 所示。

　　EMI 濾波器是由一組差模、共模電感和電容組成的LC 濾波器， 形成帶金屬封裝的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品更有利于減小干擾輻射， 各電源生產(chǎn)商推出的與DC/ DC變換器配對(duì)型號(hào)， 主要針對(duì)變換器開(kāi)關(guān)頻率、電流等特征調(diào)整了濾波器內(nèi)部器件參數(shù)， 使其具有更好的針對(duì)性。變換器開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波形成最主要的干擾， 為使濾波器具有更好效果和更容易實(shí)現(xiàn)， 希望開(kāi)關(guān)頻率越高越好， 但需要注意避免開(kāi)關(guān)信號(hào)及低階諧波進(jìn)入有用基帶信號(hào)帶內(nèi)。國(guó)外在開(kāi)關(guān)電源有采用開(kāi)關(guān)信號(hào)偽碼調(diào)制技術(shù)的， 通過(guò)干擾“白化”降低開(kāi)關(guān)頻率的干擾幅度， 在航天產(chǎn)品中還未見(jiàn)使用該技術(shù)。

　　熔斷器的作用是當(dāng)設(shè)備電源變換器初級(jí)或外圍電路出現(xiàn)短路時(shí)將設(shè)備故障與系統(tǒng)隔離， 熔斷器及電阻規(guī)格選擇需要遵循一定原則， 在保護(hù)反應(yīng)時(shí)間與抗浪涌之間平衡， 通用的原則是：

　　式中， Ie 為設(shè)備最大額定電流， Ir 為熔斷器熔斷電流。限流電阻遠(yuǎn)大于（ 20 倍以上） 熔斷器阻值， 而要求設(shè)備浪涌電流不超過(guò)工作電流的1. 5 倍。減小浪涌電流需要通過(guò)增加浪涌抑制電路。浪涌抑制電路一般有串聯(lián)電感和軟啟動(dòng)電路方式， 串聯(lián)電感方式簡(jiǎn)單但效果有限， 軟啟動(dòng)電路效果良好但卻是以“增加電路復(fù)雜度、犧牲可靠性”為代價(jià)的。

　　在實(shí)際工程中， 并非浪涌電流超過(guò)1. 5 倍工作電流就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果， 往往提出另一個(gè)考核標(biāo)準(zhǔn)：電流時(shí)寬積和浪涌電流的I2max t （ I max為浪涌電流） ，電流時(shí)寬積是量化電源母線負(fù)載能力的承受能力，計(jì)算浪涌I2max t主要用來(lái)判斷熔斷器是否能承受浪涌電流的沖擊。這兩項(xiàng)參數(shù)在工程中具有很好指導(dǎo)意義， 也便于考核操作。

　　根據(jù)電源系統(tǒng)能力可確定額定電流時(shí)寬積參數(shù)，用ITmax表示， 一般電源系統(tǒng)能達(dá)到數(shù)百至數(shù)千安毫秒（A*ms） ， 設(shè)備浪涌電流時(shí)間帶寬積需滿(mǎn)足下式：

　　4. 2 箭（ 彈） 設(shè)備常用電源電路設(shè)計(jì)

　　火箭、導(dǎo)彈作為一次性使用的航天器， 具有系統(tǒng)龐大、工作環(huán)境惡劣、工作時(shí)間短、可靠性要求高等特點(diǎn)。由于一次性使用， 箭（ 彈） 設(shè)備的設(shè)計(jì)需要貫徹簡(jiǎn)單、低成本的思想， 除關(guān)鍵核心設(shè)備外， 一般不考慮備份冗余， 因此對(duì)設(shè)備的可靠性要求也較高。

　　電源電路的設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足通用要求之外， 還需要考慮火箭（ 導(dǎo)彈） 的供電環(huán)境： 蓄電池初期的高電壓和工作末期低電壓、大功耗設(shè)備啟閉引起的電壓波動(dòng)、過(guò)沖等， 對(duì)EMC 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)變成抑制瞬態(tài)高壓和防止設(shè)備內(nèi)DC/ DC 變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率信號(hào)及其它干擾反饋到電源母線， 而系統(tǒng)一般不需要電源負(fù)母線與地隔離， 多數(shù)情況可將DGND 和GND 搭接。EMI 濾波器可采取簡(jiǎn)單LC 器件搭建構(gòu)成， 在設(shè)備工作電流不太大的情況下， 可采用電阻限流代替熔斷器， 一種典型的電源輸入電路如圖2 所示。

　　電源保護(hù)電路由串聯(lián)在正母線上的電阻R1、二極管V1、V2 以及由電容C1、C2、C3 和電感L1、L2 構(gòu)成的濾波電路組成。電路中， 電阻R1 的作用是限流、降壓、隔離， 當(dāng)有高電壓尖峰加到輸入端時(shí)， 電阻可防止箝位二極管通過(guò)電流太大， 對(duì)其起到保護(hù)作用; 二極管V1 的作用是隔離倒灌信號(hào)， 防止機(jī)內(nèi)電源產(chǎn)生的高電壓干擾反饋污染系統(tǒng)電源， 對(duì)于品質(zhì)較好的電源變換器一般不是必要; 箝位二極管V2將電壓箝位到電源模塊允許的工作電壓范圍內(nèi)， 主要針對(duì)系統(tǒng)工作條件下化學(xué)電池放電初期和系統(tǒng)用電設(shè)備少（ 輕負(fù)載） 情況下電壓較高的情況而設(shè)置;由電容、電感組成的LC 濾波器主要抑制EMI 干擾，濾波器電路形式選擇的依據(jù)是系統(tǒng)供電環(huán)境， 在較好的系統(tǒng)供電環(huán)境下， 簡(jiǎn)單的濾波電路是夠用的。

　　但是， 在箭彈設(shè)備電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)中， 對(duì)元器件選擇需要注意以下因素。

　?。?1） 浪涌電流通過(guò)電感產(chǎn)生的反峰電壓可能高過(guò)系統(tǒng)外部來(lái)的最高輸入電壓， 所以， 濾波電容器耐壓值選擇應(yīng)按照直流電壓降額要求和瞬態(tài)電壓降額要求分別計(jì)算， 按照高的要求選擇器件;

　　（ 2） 限流電阻額定功率選擇。限流電阻選用考慮兩條原則： 在設(shè)備正常穩(wěn)定工作情況下， 滿(mǎn)足降額原則， 工作穩(wěn)定安全; 在設(shè)備內(nèi)部電路出現(xiàn)短路情況， 限流電阻應(yīng)不致系統(tǒng)供電電壓被拉低， 并能短時(shí)間熔斷保護(hù)系統(tǒng)不受影響。設(shè)計(jì)時(shí)如果按照設(shè)備穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算功耗， 因?yàn)橛欣擞?、過(guò)沖等現(xiàn)象存在， 即使選擇0. 1 的降額系數(shù)， 也很難說(shuō)一定可靠; 而根據(jù)瞬態(tài)尖峰電壓產(chǎn)生電流計(jì)算功耗， 往往功率數(shù)據(jù)很大， 根本沒(méi)有符合要求的電阻， 顯然造成過(guò)設(shè)計(jì)。

　　筆者在工程中通過(guò)分析與驗(yàn)證， 對(duì)限流電阻選用提出按熱容降額的設(shè)計(jì)原則。

　　根據(jù)設(shè)備環(huán)境溫度條件（ 高溫） 、電阻幾何尺寸、材料熱容值C 計(jì)算出輻射表面換熱系數(shù)， 其基礎(chǔ)是能量守恒方程。由于浪涌電流為短時(shí)信號(hào)， 需要用其瞬態(tài)形式：

　　根據(jù)上述公式建立熱響應(yīng)分析模型， 并運(yùn)用Matlab 進(jìn)行仿真， 求出最?lèi)毫訔l件電阻積累熱量（ 單位J） ， 并與電阻承受極限溫度比較， 按照0. 3 進(jìn)行降額。

　　上述工作可編寫(xiě)Matlab 程序， 設(shè)計(jì)時(shí)輸入設(shè)定條件， 可很快得出結(jié)果。如果箭（ 彈） 載電子設(shè)備功耗較大， 可能會(huì)產(chǎn)生較大浪涌電流， 一般需要采用浪涌抑制電路， 電路形式與星載設(shè)備類(lèi)似， 在此不再贅述。

　　在航天電子設(shè)備工程設(shè)計(jì)中， 筆者根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)提出上述典型電路形式和設(shè)計(jì)控制參數(shù)， 簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并具有較好工程可操作性。按上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的供電保護(hù)電路在多種設(shè)備使用中從未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究了航天電子設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)的一般原則， 對(duì)采用DC/ DC 變換器的二次電源外圍電路典型應(yīng)用給出輸入保護(hù)電路模型， 不同于其它文獻(xiàn)介紹的通常電源電路設(shè)計(jì)， 本文提出了一些新的設(shè)計(jì)控制參數(shù)， 能夠較準(zhǔn)確地量化降額準(zhǔn)則， 在工程設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義。