一種多路輸出軍用車載電源的設計

1 引言

本文提到的多路輸出軍用車載電源是一種輸入輸出均為低壓大電流的雙路DC/DC開關電源。輸入電壓9～15V，輸出電壓2路：一路24V；一路5V。24V輸出又同時供給三路負載；輸入電壓又直接供給兩路負載，如圖1所示。

圖1 電路框圖

考慮到輸出獨立保護的要求，本電源采用了兩路獨立的電路結構，24V輸出功率較大采用Forward，5V輸出功率較小采用Flyback。

下面就電路中一些特殊的設計做一些介紹。

2 散熱器設計

散熱方式是電源產品設計中首先需要考慮的部分，因為，它關系著電路設計中元器件的選取，PCB的設計等一系列問題。通常的電源產品都采用風扇冷卻，這樣可以達到比較好的散熱效果。

本文提到的軍用車載電源，由于長期工作在震動和沖擊的環境下，采用風扇冷卻會影響電源系統的可靠性，因此，采用自然冷卻的散熱結構。整個裝置的散熱器結構安排如圖2所示。功率半導體器件放在PCB板的背面并緊貼底板，直接通過底板散熱，底板采用厚鋁材料，整個裝置安裝在大鐵板上（裝甲車）。裝置的兩側用帶翼的散熱片，兼起支撐作用。這樣整個散熱器的安排不但能達到比較好的散熱效果，還可以充分利用PCB板的空間，一定程度上減少了整個裝置的體積。

圖2 散熱器結構

3 三重過流保護

由于是軍用車載電源，對裝置的穩定性和可靠性要求非常高，所以，采用了三重過流保護，即微秒級保護、毫秒級保護及秒級保護。

3.1 微秒級保護

微秒級保護是指電源出現輸出過流或者短路時，在一個開關周期內就能進行保護。因為，通常開關周期都是設計為微秒級，所以，稱此保護為微秒級保護。具體的實施方法如圖3所示，峰值電流控制信號連到PWM芯片L5991^[1]的腳ISE，當腳ISE的電壓大于1V時，L5991輸出就為低電平，從而關斷開關管。此保護在每個開關周期進行判斷，因此，反應速度比較快，用以保護瞬間的過流。

圖3 電流峰值保護及恒流保護電路

3.2 毫秒級保護

毫秒級保護是指PI環的恒流保護，它的保護時間一般在幾十到幾百個開關周期，這里就稱它為毫秒級保護。由于取樣電流峰值保護是單周保護，穩定性不是很好，只能對過渡過程的過流進行有效的保護。因此，針對較長時間的短路或過流，在這里采用PI環的恒流保護還是很有必要的。圖3虛線框內為恒流保護電路，它利用峰值電流控制中的電流信號作為輸入信號，通過一個由D₁，R₁，C₁組成的峰值保持電路和由運放組成的PI環節得到一個誤差信號，在變換器的輸出電流超過限定值的時候，該誤差信號就會控制PWM芯片的占空比，從而使輸出電流保持在限定值。由于D₂存在，當輸出電流低于限流值時，該部分電路對占空比的控制不起作用。

3.3 秒級保護

秒級保護是指電路中的自恢復保險絲保護（自恢復保險絲的保護時間在幾秒以上），如圖1所示。當電路處于上述的恒流保護，如果時間過長會使裝置過熱，若按照過流保護來做熱設計會增加裝置的成本。因此，對于長時間(幾秒以上)的短路或過流，需要用保險絲進行保護。本裝置中采用的是自恢復保險絲，當負載恢復正常時，自恢復保險絲也能恢復到正常導通狀態。采用自恢復保險絲的另外一個原因是裝置要求的每路負載獨立保護，當一路過流保護時，該路的自恢復保險絲斷開，其他幾路還能正常工作。5V那一路沒加自恢復保險絲是考慮到它本身就只有一路負載，可以通過微秒級和毫秒級實現保護，另外由于5V輸出電壓比較小，加上自恢復保險絲會影響其輸出調整率。

4 RCD/RC雙重吸收

反激變換器由于變壓器漏感的存在，當開關管關斷時，開關管的D－S兩端會產生比較高的電壓尖峰。這個電壓尖峰增大了開關管的電壓應力，同時又會產生電磁干擾，因此，必須采用吸收電路加以抑制。RCD吸收電路由于簡潔且易實現，在小功率場合是比較常用的。RCD吸收反激變換器如圖4所示。從圖6中可以看到，加RCD吸收電路以后，開關管D－S兩端的電壓尖峰大大地減少了，但是，同時也產生了新的更高頻率的振蕩，究其原因是變壓器原邊漏感與二極管的結電容諧振引起的。從電磁兼容考慮該振蕩必須加以抑制。改變R，C，D的參數對新的振蕩的影響并不大，因此，需要附加其它電路來抑制，在開關管D－S兩端加上RC吸收電路在實驗中取得了比較理想的效果。圖5即為RCD/RC雙重吸收電路，圖7所示的是RCD吸收反激變換器和RCD/RC雙重吸收反激變換器開關管V_ds的實驗波形。

圖4 RCD吸收電路

圖 5RCD/RC雙重吸收電路