機載計算機電源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

馮非+王超+艾鐵柱

摘 要：文中從機載計算機實際應(yīng)用出發(fā)，針對機載計算機EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗進行分析，探討濾波器輸出阻抗和開關(guān)電源輸入阻抗匹配的原因，并提出機載計算機電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定標準。

關(guān)鍵詞：電源系統(tǒng)；穩(wěn)定性標準；阻抗匹配；開關(guān)電源

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，航空電子領(lǐng)域機載計算機已得到廣泛應(yīng)用，為航空器帶來便利。機載計算機通常使用開關(guān)電源模塊產(chǎn)品為CPU、接口、總線等負載模塊供電，并使用EMI電源濾波器降低電磁干擾，但在機載計算機設(shè)計中，開關(guān)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題經(jīng)常被忽視，穩(wěn)定性嚴重影響機載計算機系統(tǒng)的性能和安全。

在機載計算機中，開關(guān)電源模塊往往可以單獨通過穩(wěn)定性評估及試驗驗證，例如小信號穩(wěn)定要求、所用元器件的離散性、高低環(huán)境下電特性等方法進行分析。而機載計算機在使用電源模塊組成電源系統(tǒng)時，卻可能出現(xiàn)電源系統(tǒng)不穩(wěn)定等故障，此類故障經(jīng)常發(fā)生在EMI電源濾波器和電源串聯(lián)使用的模式中。

本文基于EMI電源濾波器和電源串聯(lián)使用模式，通過對電源系統(tǒng)進行建模，針對機載計算機EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗進行分析，確定EMI電源濾波器輸出阻抗對濾波器及電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并提出機載計算機電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定標準。

1 穩(wěn)定性分析

為了直觀分析機載計算機的穩(wěn)定性，將機載計算機的濾波器、電源模塊簡化為串聯(lián)使用的電源系統(tǒng)模型進行阻抗分析。模型A為EMI電源濾波器，模型B為開關(guān)電源模塊，系統(tǒng)模型如圖1所示。

Ta、Tb分別為A、B的傳遞函數(shù)，Zo為A的輸出阻抗，Zi為B的輸入阻抗。那么該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為T：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)T分母中的Zo/Zi決定了該系統(tǒng)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性，即EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗決定了該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

使用Middlebrook判定方法可有效準確地判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。該法則可用于電源系統(tǒng)級聯(lián)穩(wěn)定性分析，主要采用阻抗分析方法，由加州理工學院的Middlebrook教授提出，其原理是運用電源輸出阻抗與負載輸入阻抗之比來分析開關(guān)電源間的阻抗穩(wěn)定性。Middlebrook判定方法指出，獨立的功率變換器模塊在級聯(lián)運行時，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)使級聯(lián)處前級模塊的輸出阻抗小于后級模塊的輸入阻抗。

EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗應(yīng)遵循阻抗失配原則。為保證該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在全輸入范圍、全頻段范圍內(nèi)EMI電源濾波器的輸出阻抗應(yīng)小于開關(guān)電源的輸入阻抗。

2 阻抗分析

2.1 EMI電源濾波器輸出阻抗

機載計算機廣泛使用EMI電源濾波器進行電磁干擾的抑制。EMI電源濾波器最主要的性能參數(shù)就是插入損耗，插入損耗分為共模和差模插入損耗。插入損耗越大，表明該濾波器對干擾的抑制能力越強。內(nèi)部電路通常采用如圖2所示的濾波器電路圖。

等效EMI電源濾波器的參數(shù)，簡化為LC濾波電路。電路模型如圖3所示。經(jīng)計算，輸出阻抗如公式（2）所示：

Lf為濾波器模型中兩個差模電感量之和，即LD1+LD2；Cf為EMI電源濾波器內(nèi)Cx電容與電源模塊輸入端濾波電容之和；Rind為濾波器內(nèi)共模電感及兩個差模電感直流電阻之和，在設(shè)計、計算EMI電源濾波器輸出阻抗時，應(yīng)考慮濾波器的阻尼特性，它決定了LC濾波電路諧振峰的大小。

利用Matlab對該表達式進行仿真，得到EMI電源濾波器輸出阻抗的典型曲線圖，如圖4所示。

2.2 開關(guān)電源輸入阻抗

開關(guān)電源的輸入阻抗體現(xiàn)了輸入電流變化時輸入電壓的變化。通常來說，機載計算機常用的降壓DC/DC變換電路在中低頻段表現(xiàn)為電阻特性。DC/DC變換器反饋環(huán)路調(diào)節(jié)輸出特性時，相對于輸入端口，DC/DC變換器表現(xiàn)為額定功率負載，輸入端口等效電阻為負阻抗。

在設(shè)計應(yīng)用中，可以使用儀器測量法對電源電路進行輸入阻抗測試。儀器測量法使用噪聲分離設(shè)備分離共模、差模噪聲并計算阻抗值，但數(shù)學表達式較復雜，該差模阻抗測量計算方法很難實現(xiàn)。

對電源電路建立模型，推導該電路的傳遞函數(shù)，并根據(jù)傳遞函數(shù)得出該電路的輸入阻抗。以機載計算機中常用的BUCK型降壓DC/DC變換器為例，其簡化模型如圖5所示。

根據(jù)圖中電路拓撲形式，該型降壓DC/DC變換器的輸入阻抗為：

利用Matlab對該表達式進行仿真，得到降壓DC/DC變換器輸入阻抗的典型曲線圖，如圖6所示。

將EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗放置在同一幅頻特性圖中就可以直觀判斷在全頻段范圍內(nèi)，前級模塊輸出阻抗與后級模塊輸入阻抗的關(guān)系，并由此得出電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

若EMI電源濾波器的輸出阻抗小于開關(guān)電源的輸入阻抗，并留有6 dB的安全裕量，則電源模塊及組成系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7所示。反之，若EMI電源濾波器的輸出阻抗大于開關(guān)電源的輸入阻抗，則電源模塊及組成系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此外，還應(yīng)考慮開關(guān)電源在不同工作狀態(tài)下，輸入電壓、輸入負載變換時的輸出阻抗變化。

3 試驗結(jié)果及分析

為驗證上文阻抗分析，根據(jù)機載計算機工作模式，利用EMI電源濾波器和電源的串聯(lián)接法，通過設(shè)置EMI電源濾波器的輸出阻抗和電源的輸入阻抗搭建系統(tǒng)故障模型，實現(xiàn)該系統(tǒng)的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

按照圖2設(shè)置某機載計算機EMI濾波器參數(shù)，Lf=LD1+LD2=400 μH，Cf=70 μF，Rind=RL+RLD1+RLD2=0.14 Ω，并根據(jù)該機載計算機的實際工作狀態(tài)得出電源的輸入阻抗為27 dBΩ。endprint

將Lf=400 μH，Cf=70 μF，Rind=0.14 Ω代入公式，經(jīng)計算，濾波器輸出阻抗峰值為33 dBΩ，截止頻率為0.96 kHz，后級輸入阻抗為27 dBΩ。在0.96 kHz頻率處，存在前級輸出阻抗大于后級輸入阻抗的情況，不滿足Middlebrook判定方法，則該系統(tǒng)為不穩(wěn)定系統(tǒng)。濾波器的輸出阻抗、電源模塊的輸入阻抗如圖8所示。

在實驗室中，為該機載計算機提供28 V直流電壓，通過示波器檢測計算機上電過程中濾波器輸出的28 V電源信號，發(fā)現(xiàn)此時該處電壓發(fā)生震蕩，且震蕩最大電壓值為32.1 V，震蕩最小電壓值為24.5 V，振蕩頻率為1.18 kHz，與分析結(jié)果一致。

再次改變EMI電源濾波器參數(shù)，驗證系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。將Lf更改為50 μH，其他參數(shù)不變。從圖9中可以看出，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過示波器檢測計算機濾波器輸出，振蕩現(xiàn)象消失，與分析結(jié)果一致。

由分析和實驗結(jié)果可知，要保證機載計算機電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要對組成串聯(lián)級聯(lián)模式電源系統(tǒng)的EMI電源濾波器、開關(guān)電源產(chǎn)品的輸入輸出阻抗進行分析，按照在全頻段范圍內(nèi)，前級模塊的輸出阻抗須小于后級模塊輸入阻抗的判定準則，評估判定機載計算機電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

文中探討了濾波器輸出阻抗和開關(guān)電源輸入阻抗匹配的原因，并提出機載計算機電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定標準，有助于提升開關(guān)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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