基于DC—DC變換器的發射控制系統二次電源設計

曾輝 奚國權 梁巍

發射控制系統介于載機和導彈之間，主要完成載機和導彈的信息交聯、導彈的供電以及發射等控制功能，是空空導彈系統的重要組成部分。發射控制系統二次電源設計目的是通過電壓變換，將載機提供的電源轉換為供發射控制系統及導彈使用的工作電源，其穩定性、可靠性及質量優劣直接決定著發射控制系統工作的可靠性及戰術性能的實現，最終決定著導彈發射的成敗。

DC-DC變換器以其體積小、可靠性好以及效率高等優點，在發射控制系統二次電源設計中得到了越來越廣泛的應用[1]。但DC-DC變換器在工作過程中，會產生開關噪聲、傳導及輻射干擾，對系統的正常工作構成較大的威脅，因此，對DC-DC在發射控制系統二次電源中的應用電路進行研究，對于設計高品質的二次電源具有重要的意義。

一、DC-DC簡介

DC-DC變換器是開關電源中一種常用的電壓變換方式，其基本原理是：由內部集成電路控制產生電源內的所有控制信號，并在電源初級形成振蕩，然后通過變壓器將能量由初級傳遞到次級，在次級進行整流濾波輸出并反饋回控制電路，以此來控制初級開關管的接通時間，實現電壓調整。

不過，開關電源變換器在工作時都會產生開關噪聲，其開關頻率在幾十到幾百kHz之間，電源輸入線路中會引入發射開關噪聲及其高次諧波，處理不好將會對整個系統的工作信號造成干擾。所以在使用DC-DC二次電源轉換模塊之前，需要設計合適的電源輸入電路，并對設計完成的電源進行精密的測試。

二、二次電源工作原理

目前，發射控制系統中二次電源的供電輸入普遍采用載機提供+28V直流供電，而其輸出供電則取決于發射控制系統的實際用電需求，主要有±15V、+5V等類型。基于DC-DC轉換器的二次電源主要由輸入濾波、尖峰抑制、浪涌抑制、瞬斷儲能、DC-DC轉換以及輸出濾波等電路組成，其功能框圖如圖1所示。

載機提供的+28V直流供電，符合GJB181（A）的相關要求。輸入濾波一方面防止載機供電電源的噪聲干擾進入電源系統，另一方面限制二次電源本身的噪聲通過導線饋入載機供電系統[2]。尖峰抑制主要是為了抑制供電線路中的電壓尖峰，確保系統不受損壞。浪涌抑制是為了滿足GJB181（A）中過壓浪涌和欠壓浪涌的要求，確保發射控制系統在過壓浪涌后不發生損壞，在欠壓浪涌時不中斷工作。瞬斷儲能是為了滿足GJB181（A）中有關瞬斷的要求，確保系統在瞬時掉電時不會發生計算機復位及輸出異常等現象。DC-DC轉換主要完成電壓轉換及輸入輸出隔離。濾波主要是限制DC-DC產生的噪聲干擾等對系統的影響，提供輸出電源的品質。

三、二次電源設計

3.1輸入濾波電路

在載機提供的+28V直流供電中存在一定的共模和差模噪聲，同時，DC-DC工作過程中，高頻開關轉換電路、整流二極管等也會產生較大的諧波干擾。輸入濾波電路主要由電感和電容組成，對干擾和噪聲進行抑制，其電路如圖2所示。

L1和L2是單扼流圈，電感選取10～600mH，電容C1選取0.047～1uF，L1、L2和C1共同作用濾除系統中的差模干擾；L3和L4是兩個共模線圈，電感選取10mH～40mH，電容C2和C3選取1uF～5uF，L3、L4和C2、C3共同作用濾除系統中的共模干擾。

3.2尖峰抑制電路

載機供電系統在接通或關斷感性負載時，供電線路上會產生高壓尖峰脈沖干擾，其持續時間短，一般為微秒級，但電壓較高，對直流電路危害較大。GJB181（A）中要求用電設備應能承受直流電源線上600V/10us的正、負極性的尖峰信號。抑制尖峰電壓最好的措施是在供電線路兩端并入瞬態電壓抑制器（TVS管），當其兩端受到反向瞬態高能量沖擊時，能以ns級的速度將兩極間的高阻抗變為電阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個較低的預定值，從而有效地保護電路中的元器件。實際使用中，可以采用多只TVS管并聯的方式來提高尖峰抑制的效果。

3.3浪涌抑制電路

載機供電系統發生短路故障或大電流切換時，其電壓會產生過低或過高的瞬時浪涌，即過壓浪涌和欠壓浪涌，相對于欠壓浪涌而言，過壓浪涌如果不采取抑制措施，有可能對系統造成損壞。

GJB181中規定用電設備應能承受直流電源線上80V/50ms的過壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌，因此在系統設計時除了選用耐壓值高于80V的器件之外，還需要對過壓浪涌和欠壓浪涌進行抑制，以保證系統工作的可靠性。

目前在二次電源設計中應用廣泛的浪涌抑制器是前端穩壓模塊，其輸入電壓為8～80V，輸出電壓為16～40V，完全滿足系統對過壓浪涌和欠壓浪涌的抑制要求。

3.4瞬斷儲能電路

載機供電系統在進行電源切換時，產生不大于50ms的瞬時斷電，為保證發射控制系統工作連續性，需要在二次電源中設置儲能電路，以提供系統50ms的能量需求。

瞬斷儲能電路一般由限流電阻、大容量鉭電容和二極管組成，其電路如圖3所示。

系統上電時，28V電源通過限流電阻R向儲能電容C充電，放電時，電容上的電能通過二極管D2補充到系統中，二極管D1防止電能向前端電路泄放。限流電阻R的阻值選取30～100Ω，確保電容充電時不會對載機供電系統產生大的電流沖擊。二極管D1和D2的選取應視系統電流消耗情況而定。電容C的容值取決于系統的功率以及DC-DC正常工作時輸入電壓的下限。電容儲存電能的大小和電容的容值以及電容兩端的電壓有關系，即 ，假設系統的功率為P，系統正常電壓為U1，DC-DC輸入下限電壓U2，瞬斷時間t，則可以計算出電容的最小容值。

3.5 DC-DC轉換電路

DC-DC轉換電路是二次電源設計中的關鍵環節，DC-DC轉換器的種類較多，其中降壓型的DC-DC轉換器在設計中應用最為廣泛。DC-DC轉換模塊的主要指標包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、效率以及紋波等，在進行器件選型時必須充分加以考慮。

DC-DC是功率轉換器件，其在工作過程中會消耗一定的功率，因此，其降額設計與其他器件有所不同。大部分DC-DC轉換器輸出功率超過30﹪時，其綜合效率才會較高，但由于器件本身發熱的原因，需要將其殼溫限制在一定的范圍內，才能保證其可靠工作，故一般建議實際使用功率為DC-DC額定功率的30﹪～70﹪。

3.6輸出濾波電路

DC-DC模塊是通過半導體器件的接通和關斷來工作的，并且通過占空比來控制輸出電壓的高低，因此，DC-DC模塊工作時將在工作頻率和倍頻上產生一定的高頻噪聲（即紋波），并以差模或共模的方式通過導線向外界傳導，且共模成分的能力要遠大于差模成分。

輸出濾波采用由共軛電感和高頻電容組成的共模濾波電路，來實現對輸出電壓信號的紋波抑制。共軛電感的電感量一般取決于紋波電平的下限頻率（即DC-DC的基波頻率），高頻電容的耐壓值一般應高于輸出電壓額定值的2倍，且電容的最小容值可以通過 來進行估算。

需要注意的是，DC-DC輸出端的紋波由多種倍頻成分組成，在實際設計中需要根據系統工作時的實際情況進行濾波器相關參試的調試，如果有需要，可以采用多級濾波串聯的方式對輸出電壓進行濾波處理，以使其電源滿足系統的相關要求。

四、結束語

隨著DC-DC技術的不斷進步，其在發射控制系統二次電源設計中將扮演著越來越重要的角色。本文簡述了以DC-DC為核心的發射控制系統二次電源設計中的各個關鍵環節，為今后進行相關設計提供了有益的參考。