带有多种功能的低噪声电源组件

2015-03-15姜耀升

通信电源技术 2015年1期

关键词：三极管稳压原理图

姜耀升

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安710065）

随着航天、航空仪器设备的迅速发展，多路低噪声电源组件的市场需求越来越大，其特点是集成度高、体积小、重量轻、使用方便。但由于路数较多，在解决多路电路的同时，工作频率相互干扰及系统输出噪声大等问题成为该类产品研究的技术难点。

1 技术指标

1.1 电特性

本文所设计产品规定的电特性见表1。

表1 主要电特性

1.2 额定使用条件

电源电压（UCC）：＋18.0 V～＋36.0 V；控制电压（UI）：＋3.0 V～＋5.5 V；

外同步频率（FS）：400 k Hz±20 k Hz；工作温度范围（TA）：-55℃～＋85℃；

贮存温度范围（TS）：-55℃～＋125℃。

1.3 外形尺寸

外形尺寸见图1。

图1 多功能低噪声电源组件外形尺寸

2 设计方案

2.1 设计方案的确定

根据以上设计条件，确立了低噪声电源组件的研制方案。整个电路由七部分组成，第一部分是DC／DC转换电路，它是整个设计的核心部分。第二部分是线性稳压电路，由于在DC／DC转换电路中采用负电压跟随正电压变化的方式，负电压可能存在偏高现象，因此在DC／DC转换电路负电压输出端增加一级线性稳压。第三部分是外频率同步电路，同步频率为400 k Hz±20 k Hz的TTL信号，其作用是将三路DC／DC转换电路中的振荡频率同步并稳定在400 k Hz左右，提高电源适应环境温度变化的能力，降低电源对外环境的噪声干扰。第四部分是输出滤波网络，其作用是降低电源的输出纹波和噪声。第五部分是外控制电路，主要对输出电压A和输出电压B进行智能控制。第六部分是输出保护电路，采用输出电流取样，信号放大并反馈给脉宽调制器，调制脉冲宽度，达到保护作用，同时具备输出过压和输出过流、短路的保护作用。第七部分是输入保护电路，采用对输入电压的分压取样，关断脉宽调制器的供电系统，达到保护作用，同时具备输入过压和输入欠压保护作用。

具体的电路方框图如图2。

图2 电路方框图

2.2 结构设计

工艺方面采用集成电路表面贴装技术，混合集成；外形结构采用铝制壳体，表面本色绝缘氧化处理，腔体内采用导热封胶灌封，输出端采用标准的DB25PZ型连接器，使用方便、可靠，产品外形如图3。

图3 产品外形图

2.3 设计原理

低噪声电源组件由七部分组成，DC／DC控制电路是整个电路的主要部分，其余电路均起辅助作用，下面结合电路原理图具体说明各部分工作原理。

2.3.1 DC／DC转换电路

第一部分为DC／DC控制电路，如图4所示，主要由脉宽调制器组成，工作电压由线性电源提供，稳压管D3稳压值为12 V，三极管T1起放大作用，决定脉宽调制器工作电压在11.5 V左右，C10为滤波电容。脉宽调制器参考电压为5 V，R6、C5是振荡电阻和振荡电容，工作频率为400 k Hz左右。输入输出隔离，光耦反馈，IC5为三端稳压器，R34和R35是输出电压取样电阻，其阻值和稳压器的参考电压决定输出电压大小。这部分电路在模块中共有三路，其中一路转换输出＋5 V电压，另外两路均转换输出±12 V电压。

2.3.2 线性稳压电路

第二部分为线性稳压电路，如图5所示，主要由一种低压差稳压器组成。电路中R30和R31是输出电压取样电阻，与稳压器调整端参考电压决定输出电压大小，控制端接地。这部分电路在模块中共有两路，均设计在-12 V输出电压前，起二次稳压作用。

图4 DC／DC转换电路原理图

图5 线性稳压电路原理图

2.3.3 外频率同步电路

第三部分为外频率同步电路，如图6所示，主要由开关三极管T3和变压器TF组成，电路工作电压为＋5 V，与电源输出端共地，外输入频率为400 k Hz，三极管起驱动作用，变压器起隔离驱动作用，驱动脉冲经过隔离电容C4输入到三路脉宽调制器的振荡端，将三路各自独立的电源工作频率同步，这样能够有效控制整体电源的噪声频谱。

图6 外频率同步电路原理图

2.3.4 输出滤波网络电路

第四部分为输出滤波网络，如图7所示，主要由共模滤波电感和滤波电容组成，±12 V输出电感采用三线绕法，＋5 V输出电感采用双线绕法，输出滤波电容采用陶瓷电容。

图7 输出滤波网络电路原理图

2.3.5 外控制电路

第五部分为外控制电路，如图8所示，主要由一个MOS管组成，当控制端输入高电平信号时，MOS管导通工作，通过光耦传导反馈给脉宽调制器，使得输出驱动脉冲占空比减小，进而降低或关断输出电压。这部分电路只用在整机信号发射部分，工作电压±12 V，高电平（≥3 V）时关断输出电压，低电平（≤1.5 V）或悬空或接地时，输出电压工作正常。

图8 外控制电路原理图

2.3.6 输出保护电路

第六部分为输出保护电路，如图9所示，主要由一个运放和一个光耦组成，电路中R37为电流检测电阻，R27、R28为信号放大反馈电阻，T4为驱动三极管，光耦IC2起隔离反馈作用，稳压管D7稳压值高于输出电压，当检测放大信号或输出过电压击穿稳压管D7时，驱动三极管，光耦导通工作，脉宽调制器的参考电压＋5 V施加给电流检测端，减小输出脉冲占空比，降低输出电压，达到输出过压和过流、短路保护作用。

图9 输出保护电路原理图

2.3.7 输入保护电路

图10 输入保护电路原理图

第七部分为输入保护电路，如图10所示，主要由三端稳压器IC6和三极管T2组成，D1为瞬变电压抑制二极管，当输入电压＋28 V上升到一定程度时，电阻R15和R16之间的分压大于三端稳压器的基准电压，稳压器阳阴两极导通工作，将稳压管D3稳压值12 V降低，同时将脉宽调制器工作电压降低到关闭电压点以下，脉宽调制器停止工作，达到过压保护作用。当输入电压降低到一定程度时，三极管T2的基极电压低于稳压管D3稳压值12 V，同样降低脉宽调制器的工作电压，起到欠压保护作用。

3 技术难点及解决措施

3.1 技术难点

根据以上设计方案，完成初样产品的研制，送往用户进行性能确认。用户反馈该电源组件输出噪声过大，对设备检测信号有干扰。通过现场分析，在设备测试系统显示屏上，技术人员指出，由于电源输出噪声太大，几乎造成系统中正常信号被噪声信号淹没，且有一个强干扰信号从高频段向低频段缓慢移动，与正常信号接近时，系统无法正确捕捉正常信号，整个系统性能下降。

对系统中出现的异常现象进行分析，得出结论：目前系统中的噪声太大，其中移动的强干扰信号与电源的开关频率有关，应对电源继续改进、完善，大幅降低输出噪声，有效抑制干扰信号或控制其远离设备正常信号。

3.2 解决措施

在初样产品的电源中，三路DC／DC转换电路的开关频率均在300 k Hz左右，但并不同步，输出端只采用常规电容法滤波，没有设计专用滤波电路。根据经验，电源须增加输出滤波电路，如图7所示，图中的电感采用共模滤波电感，正负输出绕在同一个磁环上，三线对称，输出滤波电容使用22μF和2.2μF容值。通过实验，确定出共模电感的有关参数。

同时，增加外频率同步电路，将电路中所有的脉宽调制器同步，工作频率设计在400 k Hz左右，因为系统本身有一个400 k Hz的频率源，恰好能够利用，且稳定性很好。在外围条件完备的条件下，最终确定出外频率同步电路，如图6所示，在实验过程中，同步端的驱动三极管起初采用普通管，隔离驱动用的是光耦，两者开关频率低，同步响应效果差，改用高频开关三极管和变压器隔离后，同步过程中所有信号正常、稳定，同步效果明显。

方案最终确定，制作出新样品，重点对电源的输出噪声和外同步稳定性进行考核，以满足整机要求，具体测试参数见表2。同时进行了低温和高温环境测试，工作均正常。

再次进行用户现场测试，系统噪声降低了40%左右，系统正常信号凸显，最重要的是系统中漂移的干扰信号再没有出现，彻底解决了电源中遗留的技术问题，得到了用户认可。

表2 样品改进前后参数对比表

4 产品特点

4.1 外频率同步性能好、纹波小、噪声低

在该产品设计中，采用了外频率同步电路和输出滤波网络，使得产品的工作频率稳定，适应环境能力强，纹波小，噪声低，对外围设备干扰小。

4.2 保护功能齐全，使用方便、安全

在该产品设计中，采用了输入过压、欠压保护和输出过压、过流、短路保护电路，功能齐全，使用安全；再加上产品输出采用通用连接器引出，可插拔性能好，使用更加方便。

5 可靠性设计情况

为了保证产品的可靠性，笔者在产品的抗冲击性能、散热、冗余设计等方面做了大量的工作。采用导热灌封料将腔体内剩余的空隙填满，使线路板与外壳成为一体，并在外壳底部设有四个安装固定孔；元器件采取必要的降额设计并进行严格的工艺筛选，表贴元件采用再流焊工艺；将大功率发热元件如MOS管、二极管等贴装于外壳底面上，利用传导散热将热量发散出去，在产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境。

根据GJB／Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，对产品的可靠性进行理论计算和预计，预计该产品平均故障间隔时间约为3.57×104h。