小型机载计算机电源的设计与研究

小型机载计算机电源的设计与研究 文章作者：郭 创 刘华伟 樊蓉 张宗麟 文章出处：电子技术应用 摘要：根据机载计算机电源的特点，简单介绍了回扫式变换的原理，并结合典型的回扫式控制器 LM2588，介绍了一种高效、可靠、对空间敏感小型机载计算机供电电源的设计。此外，对关键部件——高频脉冲变压器的设计和相关理论进行了一定的分析和探讨。 关键词：机载计算机 回扫式 高频脉冲变压器 LM2588 小体积、轻重量、高可靠性、高效率是航空电源始终追求的目标。随着微电子技术发展，采用大规模和超大规模集成电路的机载计算机主机已越来越小型化，这就对其电源部件的体积和重量提出了进一步小型化的要求。机载计算机是一种抗恶劣环境的计算机，其电源部分也必须满足抗恶劣环境的要求，例如必须适应-55℃～+125℃的环境温度和较膏药范围的输入电压；同时还要耐振动、耐撞击、抗电磁干扰等。 1 某机载计算机电源的技术要求 某机载计算机对电源部件的技术要求见表 1。 表 1 某机载计算机电源技术要求 输入直流电压 27V（24V～32V） 输出直流电压 多路输出 电压种类 +5V 12V -32.5 输出电流 4A 0.2A 0.05A 稳压精度 ≤±1% ≤±2% ≤±2% 纹波电压 Vp-p 50mV 120mV 300mV 工作温度 -55℃～+125℃ 外型尺寸 362mm×160mm×15mm 重量 ≤0.5kg 具有短路、过流、过压等保护；满足其它机载条件。 2 回归式变换原理 根据该电源部件输出电压种类多、给定的外型尺寸小、输入电压变化范围大、工作温度范围宽等特点，必须设计小型、高效、可靠的供电电源。为此，选择回扫式变换电路（又称 flyback、ON-OFF 型）进行设计，图 1 为其典型电路结构。此电路简洁可靠，主开关元件和变压器利用率很高，由于采用了峰值电感电流检测技术，可以灵敏地限制最大输出电流，因此高频脉冲变压器不必设计较大的余量，特别适用于几百瓦以下功率的电源系统中。 其基本工作原理为：当开关管 Q1 导通时（TON），电流流过变压器 T1 的初级线圈 N1，变压器将能量以磁场的形式存储起来，由于初、次级圈相位不同，所以当电流流过初级线圈时，次级线圈 N2 中没有电流流过。当 Q1 截止时（TOFF），消失 的磁场使初、次级线圈中电压极性反转，整流二极管 VD 导通，电流通过 VD 流向负载，变压器的能量释放，提供负载电压、电流。控制器占空比为： 其中，VF 为二极管正向压降；VSAT 为 Q1 饱和电压降；Vo 为输出电压；VIN 为输入电压。 电流临界连续时，初级绕组电感量为： 其中，fOSC 为开关频率；Pomin 为轻负载时输出功率；η 为转换效率；VINmin 为最小输入电压；Dmax 为最大占空比。 3 设计方案 3.1 回扫式控制器选择 National Semiconductor 公司最新推出的 LM2588 系列控制器旨在实现一种能够满足多路供电电压输出而无需进行复杂设计的高集成度电源的解决方案。系统设计者使用它能很快地开发出小型、低成本、多路供电的电源系统。 LM2588 采用 7 脚 TO-220 封装，主要包括 100kHz 振荡器、2.9V 稳压电路、误差放大器、5A/65V 的 NPN 开关管以及过流、过热、低电压锁定，还包括软启动、逻辑关断、逻辑控制等，内部结构如图 2 所示。 3.2 高频脉冲变压器设计 设计的某机载计算机 DC/DC 开关电源如图 3 所示。 U1 为控制器 LM2588-5.0。脉冲变压器 T1 共有五个绕组：N1 为初级绕组，N2、N3、N4、N5 为次级绕组，分别对应输出+12V@0.1A、-12V@0.2A、-32.5V@0.05A 以及+5V@4A，且 N2、N3 圈数相同。 由于回扫式控制器具有连续型和不连续型控制的特点，所以设法使其稳定就显得很重要。高频脉冲变压器的设计是整个回扫式控制电路的关键，电源的性能和优劣在很大程度上取决于变压器的设计。这里选择 TOKIN 公司 FEER28L 磁芯，磁芯的有效截面积为 84.7mm2，有效磁路长度为 78.3mm。彩 铁氧体 B25 材料，常温时最大磁感应强度 Bm=5100Gs。 3.2.1 确定变压器匝比 α α=N2/N1=[（1-Dmax）/Dmax]·[(Vo1+VF)/Vinmin] (3) 由 Vinmin=24V、Vo1=5V、Dmax=0.46 得出 α≈0.3。 3.2....