高性能舰载绘图机多输出稳压电源设计

    高性能舰载绘图机要求在强电磁干扰（EMI）的环境下能正常工作，为此，绘图机的各个系统和子系统其性能指标必须满足国家有关舰载电子设备的标准。为了满足其性能要求，本文在一般稳压电源设计的基础上，主要从形成电磁干扰的3个要素，即干扰源，传播途径和受干扰设备着手，介绍了在电源的设计过程中，如何抑制干扰源，直接消除干扰原因，切断电磁干扰的途进；以及提高受干扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。

1　基本技术比较
1．1　性能指标

输入：220 V±10％，50 Hz。输出电压／稳定工作电流：
　
5 V／03 A　　±12 V／＜±0．1 A　
　　
24 V／06 A　 26～34 V（静态可调）／0．6 A峰值电流／稳定工作电流：＞2 A

功率相关性：各路输出应能同时达到最大值。
　　
EMI通过国家有关舰载电子设备标准测试。

1．2　基本技术

    电子设备在工作时，需要稳定的直流电压。电网一般是220 V，50 Hz，电压波动可达±10％，而且可能含有尖峰、浪涌或高频干扰。因此直流稳压电源需要完成以下任务：

①AC-DC高效转换；

②输出电压稳定；
　　
③抑制电网上的干扰，较小的传导发射及电磁辐射。
　　
    从基本原理上，有线性稳压电源及开关电源。

1．3　线性稳压电源
　　
    并联型线性稳压电源　用并联稳压二极管吸收额外的电流，要求输入电源具有较高内阻，适用于负载电流较小的场合。效率低。

    串联型线性稳压电源　在输入电源及负载之间串联电压调整管，将V_in-V_out转换为调整管上的发热。使用双极型晶体管时需要较大的压差（通常超过2 V），使用MOS管时可以在极小的压差（100 mV）下工作，但允许电流较小，且成本较高。
　　
    效率分析　当输入电压范围为220 V±10％时，整流滤波后的电压为V_in±10％。串联型稳压电路要求V_in-10%-V_out>dV。dV为输入输出最小压差，对双极型调整管，dV＞2 V。效率：

    可见，在输入电压最低时，线性电源具有最高的效率。当输出电压较低时，2 V压差对效率有严重影响。

1．4　开关电源

（1）基本原理
　　
    以脉冲形式将输入直流电源的能量储存到电感或电容中，再用整流滤波方法将电感或电容两端的电压转换为直流电压。入电压可以是经变压器降压整流滤波的，也可以直接对市电整流滤波，甚至对市电只整流不滤波（EMI极小），在功率很小时还可以用串联电容降压的方法。调整方法可以是宽度调制或频率调制。
　　
    由于调压器件工作于开关方式，因此效率极高（一般90％），且允许输入电压大范围变化。当脉冲频率较高时，储能及滤波器件可以较小，因此体积很小，甚至不需要电源变压器。

（2）开关电源的缺点
　　
    由于调压器件工作于开关方式，因此dV，dI很大，容易产生较强的传导发射及辐射发射。

（3）输出端的滤波器件应严格筛选
　　
    电容器应具有较好的高频响应，较低的ESR。由于开关频率较高，因此无论输入输出端都有较强的高频差模传导发射。由于高低电位段具有不同的对地阻抗；而且地线网络对高频有较大阻抗，使两条线对大地形成不同的阻抗，即，对高频差模电压产生不同的相移，则这种差模电压会转化为共模电压。共模干扰一旦产生，就很难滤除。
　　
    综上所述，设计开关电源时，应尽量减少高频传导发射及磁场辐射。为了减少高频共模干扰，需注意合理布线，降低高频阻抗，减少环路面积。
　　
    开关电源通常要求输入、输出EMI滤波器。

2　基本方案
　　
    开关电源的优点是效率高、小巧、输入电压范围很宽，缺点是输出纹波大，容易产生共模干扰。
　　
     线性电源的缺点是效率低、笨重、输入电压范围较窄，优点是电路简单、输出纹波小，不产生辐射干扰。
　　
    大幅面绘图机具有较大体积及重量，因此对电源体积无特殊要求；使用220 V电源，波动一般不超过10％；要求的输出电压固定，且低输出电压的电流不是很大，因此可以使用线性电源。
　　
    根据以上考虑，拟采用线性电源为主、开关电源为辅的混合设计思路。
　　
    使用线性电源时，输入电压范围、输出电压调节及效率之间是相互矛盾的。因此本电源限定26～34 V为静态可调，输入电压波动范围为±10％。

2．1　5 V及±12 V

    均为小功率，且电压接近，通常统一考虑。
　　
    ±12 V：一般使用MAX742／743实现，优点是：单片，且输入可以是3～11 V。若用7812／7912，则需额外的两个绕组，且效率较低。若电流小于±125 mA，则可以使用MAX743。
　　
    5 V：次级绕组＋整流滤波＋使用7805。可选的LDO：LT1763／500 mA，LT1129／700 mA，MAX603／500 mA。

2．2　24 V及30 V

    主要功率集中在24 V和30 V，且二者电压、功率接近。方案：

①220VAC-24VDC；220VAC-30VDC可调：体积大，余量大，EMI大，似乎不合适。
　　
②分别设计次级绕组，再分别整流、滤波、串联稳压，似乎多余。

③希望少用一个次级绕组，则至少有一路用开关电源（DC-DC变换器）实现。由于希望30 V可调，因此用DC-DC变换方法产生30 V较合适，不但高效，而且调压方便。缺点是：需用专用DC-DC模块，不适于单件生产DC-DC的输出是30 V（26～35 V），输入可以考虑：
　　
①24 V：使用升压模块。缺点是Vin24 V（～30 V）24 V发热严重，效率较低。
　　
②V_in 24 V（～30 V）：与输出电压重叠，难以使用开关电源，（在小功率场合，可以使用：升压变换＋LDO）。
　　
③V_in5 V（8～10 V）：易选用升压模块。缺点是与5 V共用输入。但由于有5 V稳压器，因此不会影响5 V。
　　
    综上所述，24 V方案：次级绕组＋整流＋滤波＋集成三端稳压器。
　　
    30 V方案1：次级绕组＋整流滤波＋集成三端稳压器。多了一个次级绕组及整流桥，但各路独立，易于维护，负荷均匀。适于不调压方案。

    30V方案2：V_in5(8-10V)+DC-DC升压。适于调压方案。缺点：升压模块较为专用。

3　EMI设计

    EMI设计方案如图1所示。

（1）输入端使用EMI电源滤波器
　　
    为了提高性能，使用三环路EMI滤波器（双CM＋单DM）。
　　
    滤波器在实际运用中存在效果相差很多的现象，特别发生在重载情况下。造成这一问题的主要原因可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生饱和现象，其中尤以有差模电感的滤波器为多。因差模电感要流过电源火线或零线中的全部工作电流，如果差模电感设计不当，电流一大，就很容易饱和，可使用非饱和铁粉芯。滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50的条件下测得的，滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。
　　
    两级或更多级的滤波器，可以使内部接点保持在相对稳定的阻抗上，因此对负载及源的阻抗依赖不是很大，可以提供接近50／50指标的性能。

（2）传导发射的原理分析
　　
    使用整流滤波方法实现AC-DC转换时，输入电流含有较大谐波分量。当后面有DC-DC模块时，由于DC-DC模块的输入电流是强脉冲形式，且不与电源频率同步，因此对滤波后的电压有影响，使交流输入电流谐波特性恶化。
　　
    对于传导发射测试，差模抑制是主要问题。电容器、差模电感的取值比较重要。为了减小传导发射，还需要使电源电流的变化率减小。
　　
    电原理上的基本措施：适当减小滤波电容，在变压器初级及次级引线上加磁环（相当于EMI滤波器增加了一个环路）、并联小电容器。为了保护整流桥堆，需要在整流二极管上并联小电容器。

    可见，滤波电容是传导发射的基本原因。可以去掉滤波电容，但后面只能用专用的DC-DC模块，电路复杂。目前仍然常用滤波电容，只是设法减小电源线上的电流变化率。方法有：在电源线上串接磁环，并联小电容器，形成差模滤波。

（3）电源线尖峰信号传导敏感度
　　
    尖峰脉冲的宽度约为5μs，频率约5 Hz。而市电半波宽度为10 ms，二极管导通时间约为1 ms，超过尖峰脉冲宽度的100倍，因此储能电容器上的电压不会明显升高。可能对整流及滤波输出电压有一定影响。估计不会影响稳压输出电压。
　　
    一般地，变压器可以承受较大的尖峰电压，需注意整流二极管的耐压要求。
　　
    对电源线尖峰及浪涌的保护措施：一般使用氧化锌压敏电阻，他能多次耐受长达10 ms的浪涌。新器件有TVS（瞬态电压保护），他能吸收的浪涌能量有限，但电压转折特性较好。建议使用氧化锌压敏电阻。

（4）磁场辐射发射
　　
    注意感性元件的屏蔽，以及电缆及长导线的处理。采取屏蔽措施。

（5）电场、磁场辐射敏感度注意屏蔽，减小环路面积。
　　
（6）系统接地在变压器初次级之间加入屏蔽层，并于EMI滤波器外壳连接，形成机壳地。

4　电路图
　　
    电路图如图2所示。

5　结 语
　　
    该电源的设计经过实际检测，其行能指标基本满足有关标准要求。工作性能良好。