如何利用DC/DC变换器实现航天器的应用设计？

DC/DC变换器随着技术的发展不断进步，与变换器相关的技术也在不断发展，这些技术的发展也在一定程度上影响着变换器的发展。

例如在上个世纪得到发展的功率开关器件，功率开关器件的发展在一定程度上也影响着变换器的发展。

01. 软开关技术

开关的一大发展方向就是高频化，高频的开关在日常生活中的使用越来越频繁。

开关频率的变高使得电路受到电磁的干扰更强，干扰的增强在一定程度上也影响着电路控制和电路驱动的稳定程度。

所以在高频化的同时也要努力减少开关造成的损耗，软开关技术的出现在一定程度上解决了这个问题。

软开关变换器在出现后也经历了一系列的发展，在软开关变换器发展到现在，软开关变换器的性能依然依赖于变换器用到的开关器件。

电容比较大并且开关频率比较高的情况下往往会产生大量的开关损耗，在这种情况下我们可以使用零电压的开通方式避免大量损耗。

DC/DC变换器使用不同的器件可以获得不同的性能，同一个电路使用不同器件的情况下性能也是不同的。

所以在选择器件的同时要结合各个方面的因素，发挥其优点，达到预期的目标。

02. 同步整流

同步整流技术在上个世纪出现，随着科技、通信和计算机相关行业的发展，相关产品中所需要的器件和功耗也在不断增加。

使用低压高电流的变换器，在高频时器件的损耗很大，同步整流技术的出现在一定程度上解决了损耗高的问题，降低了开关的损耗。

同步整流是为了在电路中满足低压高电流的要求，在这一要求下通常我们使用MOSFET的门极控制电压和漏极电压同步，从而达到低电压大电流的需求。

同步整流技术已经实现了ZVS和ZCS这两种方式，这进一步降低了开关的损耗，并且在这方面也有了很大的进步。

其中数字技术和同步整流技术相结合，并且也开发出了适用于对称拓扑的同步整流电路，并且使用复合拓扑的情况下使得同步整流的效果更好。

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)。

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0.15Ω，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。

卫星用DC/DC变换器的高可靠和长寿命，是确保其完成飞行使命的基本条件之一。但人们对DC/DC变换器可靠性的认识通常集中在元器件固有质量或产品组装工艺缺陷方面，往往忽略了系统设计(包括技术方案和电路拓扑设计、输入/输出接口设计、环境试验条件适应性设计等)缺陷和电压、电流和温度应力对可靠性的影响。

据美国海军、电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自的百分比如表1所示。

日本的统计资料表明，可靠性问题的80%来源于设计方面(日本把元器件的选型和质量等级的确定以及元器件的负荷能力等都归入设计上的原因)。国产星用DC/DC变换器虽然在轨试验中尚未出现失效现象的历史记录，但在地面试验中，已经有过不少的故障归零报告，基本上属于设计缺陷。

以上统计数据表明，控制和减少由于技术方案选择、电路拓扑设计以及元器件使用设计原因所造成的DC/DC变换器故障，具有重要意义。

DC/DC变换器供电方式的选择

DC/DC变换器供电方式的不同，对整个供电系统的可靠性有重大影响。卫星用DC/DC变换器的配电系统一般有两种方式：集中式供电和分布式供电。

集中式供电的优点是DC/DC变换器数量少，有利于控制和减少电源的体积和重量，同时简化了一次电源到DC/DC变换器之间的重复布线。缺点是电源的多负载，很难保证电源的输出伏安特性满足每个负载的要求。

分布式供电系统的优点是DC/DC变换器靠近供电负载，在减小传输损耗的同时提高了动态响应特性，这是解决低压大电流(如2V/20A)问题的必须和唯一技术途径。这种供电方式的基本特征是将负载功率或负载特性分解，分担给多个、电源模块来承担。

从可靠性模型上来说，分布式供电系统的多个DC/DC变换器属于可靠性并联系统，容易组成N+1冗余供电，扩展功率也相对容易。所以，采用分布式供电系统，能够满足航天电源产品的可靠性方案设计要求。目前，国产卫星DC/DC变换器拓扑结构，基本上实现了从分系统共用一个结构模块电源的集中供电方式，过渡到采用通用化、模块化、小型化的“三化”电源产品的分布式供电。

因此综合考虑用电系统的具体需求，选择合理的供电方式对提高DC/DC变换器供电系统的可靠性具有至关重要的意义。

电路拓扑的选择与设计

可供卫星DC/DC变换器功率变换选用的基本电路拓扑有8种，分别是单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式、双正激式、双管正激式、半桥式、全桥式。

前6种拓扑功率开关管在关闭时要承受2倍输入电压。考虑到输入电压的变化范围和电磁干扰电压峰值，并要留有一定的安全余度，功率开关管的耐压值，需要达到输入额定电压的4倍以上。例如，当输入母线电压+42V时，功率管的漏源电压应该为200V。

推挽和全桥拓扑有可能出现单向磁偏饱和现象，主要是两路功率开关轮流导通时不完全对称，使充磁和退磁的两个伏秒面积不等而造成的。一旦出现该现象，一只功率管会首先损坏。近年来，在国外对推挽拓扑的单向磁偏所进行的专题研究中，发现功率开关采用性能参数一致性好的MOSFET，就可以消除单向磁偏饱和现象。原因是MOSFET的导通损耗具有正温度特性，可实现自动温度平衡的功能，将自动维持两管伏秒面积的等值性。这些结论，我们已经在多颗卫星DC/DC变换器试验中得到了验证，应该说只要实施有效的可靠性技术措施，推挽拓扑的大电流、高效率、高可靠优势会充份地发挥出来。

理论分析和实践结果表明，半桥拓扑具有自动抗不平衡的能力。一般认为，500W以下，双管正激和半桥拓扑具有较高的安全性和可靠性。

单端反激拓扑不适用于负载电流大范围变化的情况，空载时的输出电压也会明显增高。目前，国内外广泛采用外接电阻负载克服空载失控现象，但这会降低电源效率。由于电源输出功率与外接电阻值成反比关系，因此，单端反激拓扑只适用于输出功率较小的场合。

失效模式及影响分析(FMEA)

失效模式及影响分析是指，在产品设计过程中，对组成产品的所有部件、元器件可能发生的故障造成的影响进行分析，并规划纠正措施。

元器件的故障模式参照GJB电子设备可靠性预计手册。分析中不考虑无关的双重故障，但考虑单一故障引起的连锁影响，即二次故障。

由于航天器DC/DC变换器的高可靠要求，供电系统不允许单点故障的存在，因此一般要考虑备份冗余设计。但不是说考虑了备份冗余以后，进行FMEA的结果就不存在单点故障。因为，往往表面上看不是单点故障的失效模式，深入分析后就会发现由于共阴模式的存在而导致单点失效。