一种用于航天工程的二次电源系统设计.doc

一种用于航天工程的二次电源系统设计引言分散式二次电源系统是相对于集中供电而言的，航天器系统大都采用分散供电的设计结构，可从单一的28V总线给航天器各分系统供电，而不需要为每种电压贯穿整个系统进行重复布线。随着CMOS器件的普及，许多印制电路板需要+5V和+12V或+24V等规格的直流电压，这意味着单机需要一个比较集中的电源以满足工作要求。CMOS器件的特点是仅在开关瞬间需要较大的功率，因此就近放置一个电源比用一个低电压集中电源长距离供电，可以降低配线电感和电阻所引起的压降，而分散供电的设计结构正可以满足这一设计要求。分散供电设计总的原则简单明了，但是当电源从集中移到各应用点的时候，从变换器本身产生的传导和反射纹波需要测量和控制，系统各单机电磁兼容性问题在设计中也必须解决。目前，DC/DC变换器在卫星等航天工程项目电源系统设计中的使用已经非常普遍，其可以不受输入电压和负载波动的影响而提供稳定的输出电压。同时，DC/DC变换器在变换过程中使用了变压器进行电隔离，可以保护整个系统免受隔离故障的影响。本文所述电路就是基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的一种用于航天器的二次电源系统。电路设计对于一个确定的工程系统，如果其电路中包含CMOS器件、运算放大器和电机驱动电路等部分，则+5V、12V和+24V电源一般来说是必须的。本设计基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器（见图1）。图1 电路原理图开关电源变换器是窄带频谱输入噪声电流的天然发生器，具有开关频率基波分量及其高次谐波分量。大部分INTERPOINT电源变换器内部都具有一级LC 输入线滤波器，将噪声成分减低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪声电流或者要求满足GJB151.3-86或其他EMI规范时，还需要附加外部电源线滤波器。只要不超过滤波器的额定线电流和布局不受限制，多个电源变换器可以共用一个滤波器。图1所示电路中的DC/DC变换器分别为MSA2805S和MSA2812D，三个DC/DC变换器共用一个FMH461滤波器。图1中，L1*A、L1*B和L1*C为一个三绕组电感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分别为两绕组电感。FUSE1和FUSE2为保险丝。1 电源输入电路分析在一次电源输入的+28V线上，增加了两个保险丝作为短路保护元件，在保证降额设计（如50%余量）的要求下，其熔值可视二次电源负载而定，如3A或5A。其中一个保险丝和电阻1R3串联，1R3阻值取0.15，则两个保险丝为冗余设计。当负载异常而导致瞬间电流过大时，由于电流是从FUSE1保险丝流过，故FUSE1熔断。异常情况消失后，FUSE2仍然可以保证系统的正常工作。2 电源输出电路分析为了得到+5V、12V和+24V电源，电路中选用了MSA2805S和MSA2812D两种DC/DC变换器。在获取需要电源的同时，还需要注意噪声的滤除。共模噪声主要是因为电感绕组间存在电容、电源器件内部存在寄生电容等原因而产生的。各DC/DC变换器的输入回线上分别加旁路电容到DC/DC变换器外壳地，以滤除共模噪声。输入旁路电容可将机壳上的共模电流引回到输入回线上，减小辐射。各DC/DC变换器的电源输出端，分别加了电感、旁路电容和极间电容，以滤除输出线对上的差模噪声和共模噪声。各电感的绕组的匝数和漏感分别相等，磁环为铁氧体软磁性材料。3 电磁兼容性分析+28V输入电源和DC/DC变换器之间通过FMH-461隔离，FMH-461是INTERPOINT公司生产的电磁干扰（EMI）滤波器，可以减小DC/DC变换器产生的高频反射纹波电流对公用输入母线+28V电源线的干扰，对电源线传导发射和电场辐射发射有效。同时，为减小电磁干扰，滤波器的外壳地必须与DC/DC变换器的外壳地低阻导通。图1所示电路中，直接将DC/DC变换器和滤波器的外壳短接。测试结果分析对于图1基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的电路，在试验室中分别对电源系统的输出电压和输出纹波进行了测试，测试结果如表1所示。测试结果表明，在文中设计的电路中，DC/DC变换器输出电压的纹波在全带宽情况下，最大为135.48mV，而在限定带宽60MHz时，纹波不超过20mV，完全满足电路元器件正常工作对电源的要求。结语本文所述的一种用于航天器的二次电源系统是基于INTERPOINT公司生产的DC/DC变换器和滤波器进行设计的，该电源系统已经成功用于航天器的有效载荷，并通过了电源线传导敏感度（CS101）、电源线传导发射（CE102）、电场辐射发射（RE102）和电场辐射敏感度（RS