小型機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)與研究

摘要：根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了回掃式變換的原理，并結(jié)合典型的回掃式控制器LM2588，介紹了一種高效、可靠、對(duì)空間敏感小型機(jī)載計(jì)算機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)。此外，對(duì)關(guān)鍵部件——高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)和相關(guān)理論進(jìn)行了一定的分析和探討。

小體積、輕重量、高可靠性、高效率是航空電源始終追求的目標(biāo)。隨著微電子技術(shù)發(fā)展，采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的機(jī)載計(jì)算機(jī)主機(jī)已越來(lái)越小型化，這就對(duì)其電源部件的體積和重量提出了進(jìn)一步小型化的要求。機(jī)載計(jì)算機(jī)是一種抗惡劣環(huán)境的計(jì)算機(jī)，其電源部分也必須滿足抗惡劣環(huán)境的要求，例如必須適應(yīng)-55℃～ 125℃的環(huán)境溫度和較膏藥范圍的輸入電壓；同時(shí)還要耐振動(dòng)、耐撞擊、抗電磁干擾等。

1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的技術(shù)要求

某機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)電源部件的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)電源技術(shù)要求

輸入直流電壓27V（24V～32V）輸出直流電壓多路輸出電壓種類(lèi) 5V12V-32.5輸出電流4A0.2A0.05A穩(wěn)壓精度≤±1%≤±2%≤±2%紋波電壓Vp-p50mV120mV300mV工作溫度-55℃～ 125℃外型尺寸362mm×160mm×15mm　　重量≤0.5kg具有短路、過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)；滿足其它機(jī)載條件。

2 回歸式變換原理

根據(jù)該電源部件輸出電壓種類(lèi)多、給定的外型尺寸小、輸入電壓變化范圍大、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)小型、高效、可靠的供電電源。為此，選擇回掃式變換電路（又稱(chēng)flyback、ON-OFF型）進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖1為其典型電路結(jié)構(gòu)。此電路簡(jiǎn)潔可靠，主開(kāi)關(guān)元件和變壓器利用率很高，由于采用了峰值電感電流檢測(cè)技術(shù)，可以靈敏地限制最大輸出電流，因此高頻脈沖變壓器不必設(shè)計(jì)較大的余量，特別適用于幾百瓦以下功率的電源系統(tǒng)中。

其基本工作原理為：當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)（TON），電流流過(guò)變壓器T1的初級(jí)線圈N1，變壓器將能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)起來(lái)，由于初、次級(jí)圈相位不同，所以當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，次級(jí)線圈N2中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)Q1截止時(shí)（TOFF），消失 的磁場(chǎng)使初、次級(jí)線圈中電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管VD導(dǎo)通，電流通過(guò)VD流向負(fù)載，變壓器的能量釋放，提供負(fù)載電壓、電流�？刂破髡伎毡葹椋�

其中，VF為二極管正向壓降；VSAT為Q1飽和電壓降；Vo為輸出電壓；VIN為輸入電壓。

電流臨界連續(xù)時(shí)，初級(jí)繞組電感量為：

其中，fOSC為開(kāi)關(guān)頻率；Pomin為輕負(fù)載時(shí)輸出功率；η為轉(zhuǎn)換效率；VINmin為最小輸入電壓；Dmax為最大占空比。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 回掃式控制器選擇

National Semiconductor公司最新推出的LM2588系列控制器旨在實(shí)現(xiàn)一種能夠滿足多路供電電壓輸出而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的高集成度電源的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者使用它能很快地開(kāi)發(fā)出小型、低成本、多路供電的電源系統(tǒng)。

LM2588采用7腳TO-220封裝，主要包括100kHz振蕩器、2.9V穩(wěn)壓電路、誤差放大器、5A/65V的NPN開(kāi)關(guān)管以及過(guò)流、過(guò)熱、低電壓鎖定，還包括軟啟動(dòng)、邏輯關(guān)斷、邏輯控制等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 高頻脈沖變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的某機(jī)載計(jì)算機(jī)DC/DC開(kāi)關(guān)電源如圖3所示。

U1為控制器LM2588-5.0。脈沖變壓器T1共有五個(gè)繞組：N1為初級(jí)繞組，N2、N3、N4、N5為次級(jí)繞組，分別對(duì)應(yīng)輸出 12V@0.1A、-12V@0.2A、-32.5V@0.05A以及 5V@4A，且N2、N3圈數(shù)相同。

由于回掃式控制器具有連續(xù)型和不連續(xù)型控制的特點(diǎn)，所以設(shè)法使其穩(wěn)定就顯得很重要。高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)是整個(gè)回掃式控制電路的關(guān)鍵，電源的性能和優(yōu)劣在很大程度上取決于變壓器的設(shè)計(jì)。這里選擇TOKIN公司FEER28L磁芯，磁芯的有效截面積為84.7mm2，有效磁路長(zhǎng)度為78.3mm。彩 鐵氧體B25材料，常溫時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=5100Gs。

3.2.1 確定變壓器匝比α

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