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一种应用于遥感成像系统电源板的设计与仿真-电气论文一种应用于遥感成像系统电源板的设计与仿真 李闻先1，尤元2，刘栋斌1 （1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.长春工业大学，吉林长春130012） 摘要：航天遥感任务中，为了得到较高的信噪比及系统稳定性，对二次电源供电系统具有较高的性能要求。DC?DC模块具有高可靠性、高集成度、高效率等优点，广泛应用于航空航天工程项目。然而，DC?DC模块在转换过程中，其固有噪声和外界引入噪声会对整个成像系统的EMI产生很大影响。综合EMI/EMC考虑，系统采用母线电源经滤波器进入电源系统，输出单元与负载间引入滤波电路减小输出纹波。最后，针对整个电源板的直流压降及电流密度分布进行仿真分析，确保了工程应用中的稳定性与可靠性。 关键词：共模滤波；DC?DC变换器；直流仿真；电磁兼容 中图分类号：TN86?34；TP303+.3 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0107?03 收稿日期：2015?02?03 基金项目：“863”计划重大项目（2011AA12A103） 0 引言 现代航天遥感器是集光学、光谱学、精密机械、现代电子技术及计算机技术于一体的先进设备，主要由光学系统、电子学系统及精密机械结构相互配合工作。其中电子学系统的电源系统作为整个控制核心的供电单元，其可靠性、稳定性与供电质量的高低直接影响了载荷系统运行的可靠性及性能指标的实现，甚至决定了整个航天任务的成败1。 航天器是一个复杂的工作系统，各个分系统单元之间的相互影响使得母线电源具有一定的不稳定性，从而引入浪涌干扰。DC?DC模块内部高频开关管的电压切换、输出整流二极管的反向恢复尖峰电流产生的谐波等干扰源的存在，会产生严重的传导干扰和辐射干扰，对二次电源本身及其周围电子设备造成威胁2，因此，设计高可靠性、高性能的航天器二次电源具有十分重要的意义。 本文依据项目任务书的需求，在输入端引入EMI滤波器消除母线电源干扰，同时避免二次电源产生的噪声干扰母线电源，从而降低整个航天器的可靠性。同时在输出端加入输出滤波电路，减小输出纹波对整个系统成像质量的影响。最后采用Cadence软件进行直流仿真，对整个电源系统的特性进行分析。 1 电路设计 1.1 二次电源原理 航天器的二次电源供配电设计通常有两种形式，即集中式供电与分布式供电。两种不同的供电方式对整个供电系统的可靠性有着不同的影响，因此应根据供电系统具体要求合理选择供电方式。 集中式供电的优点是DC?DC 变换器数量少，简化了一次电源到DC?DC 模块的重复布线，同时可以有效控制整个系统的重量和体积；分布式供电是与集中式供电相对而言的，是指DC?DC变换器以分散的方式分布在负载周围，其优点是传输损耗小、动态响应特性高，同时它是解决低电压大电流问题必须且惟一的技术途径2。 同时，分布供电系统大大提高了系统的可靠性。根据项目任务要求，成像系统应具有高集成度、低噪声的特点，而本电源系统采用集中分布式供电设计，即整个成像系统采用DC?DC+LDO（低压差线性稳压器）的供电方式为系统供电，DC?DC模块为集中供电方式，LDO分布于负载周围，此方法兼具集成与高可靠性的优点。整个成像电路系统的电源分布原理框图如图1所示。 1.2 输入滤波器设计 一次电源受系统不稳定的影响有时会产生纹波噪声，噪声进入二次电源经DC?DC 会影响二次电源输出质量，同时DC?DC 模块产生的传导噪声通过母线干扰一次电源也是不希望的，因此设计中在母线与DC?DC模块输入端应加入EMI滤波器。 根据任务要求，依据可靠性和降额设计的原则，本文选用VPT公司的COT系列EMI滤波器VPTF3?28降低一次电源与二次电源间的相互干扰。该滤波器主要技术参数如表1 所示。该滤波器的技术指标满足MIL?STD?461C CE03/CE102标准。 1.3 输出滤波电路设计 DC?DC模块工作原理是将直流变为交流，再将交流转换成所需的直流电压，转换过程中开关管的高速切换、高频交流的辐射效应，VPT公司的DC?DC模块内部集成了输出滤波模块，其输出电压纹波一般为30 mVP_P，测试条件为全负载，频率为20 Hz20 MHz。 输出的纹波主要包含共模噪声和差模噪声，其中共模噪声是由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当矩形波电压作用于功率器件时，开关电源的输出端会产生共模纹波噪声。在输出端加共模抑制电感及电容，可减小输出的共模纹波噪声，同时，共模扼流圈的漏感与电容组成的滤波器会对差模噪声产生抑制作用。 输出滤波器的等效电路图如图2所示，其中L 为共模扼流圈，其工作原理为当共模电流流过绕在同一磁芯上，匝数、缠绕方向相同的绕组时，产生两个大小相等方向相反的磁通，然而直流电流可以无损的通过扼流圈。因此共模扼流圈的设计是滤波电路的核心设计。 航空航天工程上一般采用环形结构扼流圈，这种结构的磁芯有效磁导率要高于其他结构的磁芯，可防止磁芯饱和降低滤波效果。而磁芯一般选用锰锌材料的铁氧体，该材料在低频时磁导率非常大，所以非常适合抑制10 kHz50 MHz范围内的电磁干扰。本设计中选用的开关电源的基频为500 kHz，噪声主要集中在基频和其高次谐波上。扼流圈的具体设计步骤如图3所示。 2 电源直流仿真分析 二次电源板具有功率密度高、电压种类多等特点，同时存在PCB布线时连接器把铜箔分割得比较细，某一过孔电流过大等风险。 PowerDC是一款业界领先的直流压降和电热混合仿真工具，其可以完成低压大电流的PCB和封装产品全面的直流分析，同时集成热分析功能，可实现电热混合仿真。为确保器件端到端电压降裕量、确保二次电源工作的稳定性与可靠性，本文采用Cadence PowerDC软件对二次电源板进行了直流压降和电流密度仿真分析，可以快速检测定位电流密度超标或直流压降过多等风险。 直流压降仿真结果如表2所示，直流压降均满足小于1%的指标。 电流通过狭窄区域会产生较大电流密度从而导致局部PCB板温度升高，电流密度分布仿真结果如图4所示。图4（a）为电流密度矢量分布图，从图中可以清晰地了解二次电源板的电流走向与平面、过孔电流热点，结果显示电流密度最高点出现在扼流圈7 V 电压输出PIN 脚处，大小为59.56 A/mm2。图4（b）为头部连接器局部平面电流密度分析结果，由于连接器引脚使铜箔被分割，此处为平面电流热点，最大值为49.84 A/mm2。 PCB布线功耗分析结果如表3所示，结果表明电源板走线直流功耗可忽略不计，同时对电流热点处的功耗分析结果为Pmax =231.65 W，满足散热要求。 3 结语 本文设计了一套应用于TDI成像系统的电源系统，针对DC?DC 模块的工作原理与内部干扰分析，综合设计了输入、输出滤波电路，提高了电源的抗干扰能力。 通过Cadence PowerDC 软件对电源PCB 进行了直流仿真，通过直流压降分析、电流密度分布分析及布线功耗分析，确保了电源PCB设计的功能性与可靠性。该设计方案在其他工程应用设计中具有一定的借鉴意义。 参考文献 1 沈中，葛之江，张连台.航天超光谱成像技术原理及其发展现状J.航天器工程，2001，10（4）：45?52 2 王小朋，于平，李东景，等.DC/DC变换器在航天器二次电源中的应用J.空间科学学报，2011，31（6）：814?820 3 陈恒林，陈玮，冯利民，等.基于阻抗测量的共模扼流圈高频建模J.电工技术学报，2007，22（4）：8?12 5 黄诗友，王世山，崔永生.寄生参数效应的共模扼流圈集中参数建模J.电力电子技术，2008，42（7）：73?75 6 李鹏，何文忠.开关电源电磁干扰滤波器设计J.激光与红外，2007，37（1）：79?81 7 王小朋，于平，李东景.空间有效载荷二次电源抗干扰设计J.信息与电子工程，2011，9（4）：439?443 8 CANTILLON M P，NEUGEBAUER T C，BRASCA C，et al.An active ripple filtering technique for improving common ?mode inductor performance J IEEE Power Electronics Let?ters，2004，2（2）：45?50. 9 LAI R，MAILLET Y，WANG F，et al. An integrated EMIchoke for differential?mode and common?mode noise suppres?sion J. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（3）：539?544. 10 SANCHEZ A M，PEREZ A，REGUE J R，et al. A modal model of common?mode chokes for conducted interference pre?diction J. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibili?ty，2010，52（3）：749?752. 11 薛旭成，李洪法，郭永飞.高速CCD成像