1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子設(shè)備和電子器件．逐漸向著集成化、小型化、輕型化方向發(fā)展．本文所要介紹的就是利用當(dāng)今電子器件的這些優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)研制出的一種多路輸出、體積小、功率大、精度高的低壓電源。

2 電源用途和供電方案的考慮

本文所要介紹的低壓電源是為某系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)所需的低壓電源種類(lèi)有+15V、-15V、+5V、-5V四種?？偣β蕿?00多瓦，用電單元包括：射頻產(chǎn)生器、中頻接收機(jī)、射頻調(diào)制器、微波單元、整流變換器單元、參考振蕩器、測(cè)試單元1和測(cè)試單元2、收發(fā)信處接口單元、高壓控制器、邏輯單元、調(diào)制器控制單元，其中供給射頻產(chǎn)生器和中頻接收機(jī)用的電源，對(duì)精度的要求較高，輸出的紋波電壓峰一峰值不超過(guò)2 mV，其它用電單元對(duì)電源精度的要求相對(duì)低些，輸出的紋波電壓峰一峰值不超過(guò)10 mV。在結(jié)構(gòu)方面．電源放置在機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜留給安放該電源的空間很小．所以電源不能做的太大，鑒于以上所述的對(duì)電源的要求，做出既能滿足精度要求又能滿足體積要求的電源，確定正確的供電方案，無(wú)疑是電源設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

如何選擇供電方案，根據(jù)電源的實(shí)際用途，考慮到供給射頻產(chǎn)生器和中頻接收機(jī)的電源對(duì)精度的要求較高，經(jīng)過(guò)認(rèn)真考慮和反復(fù)試驗(yàn)，了解各用電單元的具體需要，最終確定了切實(shí)可行的供電方案，把四個(gè)品種的電源分成八路來(lái)做。對(duì)要求較高的電源采用高精度的線性電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其它電源則采用效率高的開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)．各路電源的具體參數(shù)如表1所列。

3 方案的實(shí)施及工作原理

根據(jù)已確定的供電方案，具體實(shí)施的方法是將電源分成三大塊，第一塊為線性電源塊，將四路高精度電源做在一塊印制板上，其余的做成一塊+15V電源和一塊+5V電源，這兩塊均為開(kāi)關(guān)電源。

線性電源采用性能優(yōu)良、可靠性高、使用方便的三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器來(lái)做，三端串聯(lián)集成穩(wěn)壓器是一個(gè)典型的負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其工作原理框圖如圖1所示。

取樣電路取到輸出電壓的變化量后，與標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較且放大，再把經(jīng)放大的誤差信號(hào)送給調(diào)整電路。調(diào)整電路通過(guò)改變調(diào)整管兩端的電壓來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的。另外，在三端集成穩(wěn)壓器中還設(shè)有過(guò)熱、過(guò)流及短路保護(hù)等電路，使得應(yīng)用起來(lái)更可靠、更安全。根據(jù)負(fù)載輕重的不同，可選用不同型號(hào)的三端集成穩(wěn)壓器。線性電源的電路圖如圖2所示。

圖中．輸出電壓

通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1使輸出電壓達(dá)到額定的電壓值。為了保證線性電源具有良好的負(fù)載調(diào)整率特性，電阻R3的上端應(yīng)直接接到穩(wěn)壓器的輸出端。另外，還要特別注意 ：R2、R3應(yīng)是同種材料制成的電阻，而且阻值精度及特性應(yīng)盡量選用高指標(biāo)的。

開(kāi)關(guān)電源采用中電華星提供的Vicor模塊電源．電路框圖如圖3所示。

交流輸入電壓經(jīng)前端整流模塊VI-AIM整流為未穩(wěn)壓的直流輸出。然后再由DC-DC變換器模塊(VI-2XX系列或VI-JXX系列)變換成所需的穩(wěn)定的直流輸出，最后通過(guò)超低噪聲的輸出紋波衰減模塊(VI-RAM)得到滿足精度要求的直流輸出。

開(kāi)關(guān)電源的電路圖如圖4所示。

根據(jù)輸出電壓和功率的不同，選用VI-2XX或VI-JXX系列不同的DC／DC變換器模塊．利用電阻R5 、R6 和電位器RP1來(lái)設(shè)置下調(diào)和上調(diào)的范圍。RP1用標(biāo)準(zhǔn)的10 kΩ電位器，下面說(shuō)明如何設(shè)置可調(diào)范圍，以下調(diào)α％為例：

由電阻R5確定不同的下調(diào)范圍VICOR變換器模塊采用零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)，變換器基本方框圖如下所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量會(huì)從輸入直流電源傳到LC諧振電路，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為半波正弦波，從而使開(kāi)關(guān)電源在零電流狀態(tài)下導(dǎo)通，并且當(dāng)電流下降為零時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。由于功率開(kāi)關(guān)管在打開(kāi)或關(guān)斷時(shí)的電流為零，所以大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，使模塊電源的效率高于80％，功率密度比傳統(tǒng)的變換器高出十倍以上。除此之外，VICOR變換器模塊還設(shè)有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能，使用起來(lái)更安全更可靠。

4 電源變壓器的選用

在線性電源中，還要用到工頻變壓器。二十世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了園截面鐵芯的R型變壓器，如今R型變壓器已成為世界上最為理想的電子電源變壓器，其特點(diǎn)如下：

漏磁小

園截面的漏磁場(chǎng)較矩形截面要小很多。與EI型變壓器相比，R型的漏磁只有EI型的10％。

損耗小、溫升低

R型鐵芯中間無(wú)斷面，不存在氣隙，故有效導(dǎo)磁率比EI型和C型高，鐵芯的激磁電流小，鐵損小。

體積小、重量輕(呈扁薄型)

R型與EI相比，體積小30％，重量輕40％．厚度上薄40％，這種小、輕、薄的新型結(jié)構(gòu)，給電源安裝帶來(lái)了極大的便利。

噪聲小、安全可靠：R型變壓器不需用緊固件，可使噪聲降到最低限度。

鑒于R型變壓器如上諸多優(yōu)點(diǎn)．在設(shè)計(jì)時(shí)我們選用了R型變壓器。

5 電磁兼容的考慮

在調(diào)試零電源的過(guò)程中，首先對(duì)三塊電源分別進(jìn)行調(diào)試，在各自的指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再把它們組裝到一起開(kāi)機(jī)工作，這時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)線性電源和開(kāi)關(guān)電源的指標(biāo)都會(huì)有所下降，我們知道任何電源都會(huì)產(chǎn)生干擾，尤其是開(kāi)關(guān)電源，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于各電源均不同程度地受到了與其處于同一電磁環(huán)境中其他電源的干擾。為了消除和減小這種干擾，我們應(yīng)在電磁兼容性方面多予以考慮。

噪聲干擾分為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲，傳導(dǎo)噪聲又可分為共模傳導(dǎo)噪聲和差模傳導(dǎo)噪聲．對(duì)于中電華星提供的VICOR模塊電源來(lái)說(shuō)，共模傳導(dǎo)噪聲是指存在在模塊正負(fù)輸入端之同方向電流分量，會(huì)產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)，減小共模電流的最有效方法是：在正負(fù)輸入引線到模塊基板之間接人”Y，t電容，同時(shí)為了減小寄生電感，線應(yīng)當(dāng)盡可能短。差模傳導(dǎo)噪聲電流是與每個(gè)輸入端電流方向相反的電流分量，模塊只需外接一個(gè)容量較小的電容器，便可減少差模傳導(dǎo)噪聲，外界電容應(yīng)當(dāng)盡量靠近模塊，以減小磁通環(huán)路的截面積。對(duì)于傳導(dǎo)干擾還可通過(guò)良好的接地來(lái)消除，因此，對(duì)于中電華星提供的VICOR模塊，加緊接地螺釘，增加接地面也可達(dá)到很好的效果。

輻射噪聲分為電場(chǎng)輻射噪聲和磁場(chǎng)輻射噪聲，電場(chǎng)輻射噪聲是由電壓變化率dv／dt引起的，是一種近場(chǎng)噪聲，噪聲隨著離開(kāi)噪聲源的距離增加而迅速衰減，磁場(chǎng)輻射噪聲是由高的電流變化率di／dt引起的，由于模塊采用了零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)。把電流的不連續(xù)波型減至最少，故電流變化率di／dt很小 另外，正確布置印刷電路板上的各種元件．也可以減弱輻射噪聲。

線性電源中，變壓器存在漏磁，我們除了采用R型變壓器外，還將電源變壓器用銅鉑外包起來(lái)，屏蔽掉變壓器的漏磁，使電源達(dá)到技術(shù)要求。

此外在每塊電源的輸入端加裝適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)濾波器，以便減小電源本身對(duì)電網(wǎng)以及來(lái)自電網(wǎng)和其它電源的干擾，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在線性電源與開(kāi)關(guān)電源之間用一塊鋁薄板隔離，以減小彼此的干擾。通過(guò)采用以上措施，電源的性能指標(biāo)有了明顯的改善。

6 設(shè)計(jì)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

(1)線性集成穩(wěn)壓器和其他半導(dǎo)體器件一樣，存在著溫度漂移問(wèn)題，為了克服溫度漂移使輸出電壓更加精確，調(diào)試時(shí)，應(yīng)在滿載工作情況下，待熱平衡后調(diào)整RP1(見(jiàn)圖2)使負(fù)載上得到額定的電壓值，這樣做可部分的克服穩(wěn)壓器溫飄的影響。

(2)在調(diào)試中電華星提供的VICOR模塊的+15 V 6．5 A的電源時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，破壞電源的穩(wěn)壓性能，為了避免振蕩的產(chǎn)生，可在VI-262 DC／DC變換器模塊的”-S”與”-OUT”之間接一個(gè)25 V 10μF 的片狀電容(如圖6所示)，即可消除振蕩。

(3)中電華星提供的VICOR模塊VI-JXX系列DC／DC變換器模塊的空載性能較差，可通過(guò)增加一固定的很小死負(fù)載的辦法來(lái)改善其空載性能。

(4)濾波器在安裝時(shí)應(yīng)盡量不使濾波器電源端和負(fù)載端的電線捆扎在一起，以免加劇濾波器輸人、輸出端的電磁耦合，破壞濾波器對(duì)EMI信號(hào)的抑制能力。另外，要求濾波器的外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接，盡量避免使用過(guò)長(zhǎng)接地線。使濾波器對(duì)EMI信號(hào)的抑制能力不受破壞。

7 結(jié)束語(yǔ)

線性穩(wěn)壓電源具有線路簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、紋波小、干擾小和穩(wěn)壓性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是存在效率低、體積大等缺點(diǎn)。而開(kāi)關(guān)電源效率高、體積小、重量輕，但瞬態(tài)響應(yīng)較差、干擾大，因而在應(yīng)用上受到了一定的限制，該電源的設(shè)計(jì)思想就是合理的將兩者結(jié)合起來(lái)，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)各自的缺點(diǎn)，以滿足使用要求。

該電源通過(guò)了-40℃和+50℃的環(huán)境溫度試驗(yàn)．應(yīng)力篩選和振動(dòng)試驗(yàn)，并在某系統(tǒng)的實(shí)際工作中運(yùn)作良好，可靠性高，故障率低。電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，緊湊，體積小，由于使用了F-2封裝型的管座，使更換三端穩(wěn)壓器變的簡(jiǎn)單方便，另外，三塊電源各成一體，對(duì)于某一部分電源的故障可以單獨(dú)拿出進(jìn)行維修，而且卸裝方便。當(dāng)然還有一些不足之處．有待今后改進(jìn)。