可自检和自动切换的双路可调电源模块

摘要 介绍了适用于航空技术，并具有自检功能、可自动切换的双路可调电源模块的设计方案和其用途、工作条件。分析了电路组成、工作原理、关键元器件的选取及结构设计要求。同时对外型结构和技术难点上的问题给出了解决方案。实验证明，该产品应用于飞机舱灯电源控制系统，具有易散热、方便安装、输出稳定可靠，引出端子规格标准、通用。且电网滤波具有抗电磁辐射干扰，各路输出闭环稳压控制，使输出稳定、便于使用。
关键词 自检模块；可切换；双路可调电源

具有自检功能且可自动切换的双路可调电源模块，用于机舱照明电源控制系统。两路可调输出电压能完成自检功能，当一路出现故障后可自动切换至另一路。
(1)产品的主要技术指标如下：输入电源电压为16～40 V；输出电压电流为+13．1～20 V／3 A；电源调整率为≤100 mV；负载调整率为≤250 mV；输出纹波噪声(峰-峰值)全部额定状态下为200 mV；输出最大功率为≥60 W；效率为≥80％；绝缘电阻为≥20 MΩ。
(2)产品环境条件：主体外形尺寸为143 mm×128 mm×32 mm；外壳工作温度范围为-55～+85 ℃；存储温度范围为-55～+125 ℃；全金属壳封。
(3)其他要求：引出端采用J18BW96T型插头，模块电源在每路设有过、欠压和过流保护。

1 研制过程
设计主要依据技术协议书和SJ20668—1998《微电路模块总规范》。
1．1 电路组成及工作原理
该电源模块的基本电路原理如图1所示，它由两路正激式直流变换器组成。每块分别采用UC公司的脉宽调制器组成振荡电路控制MOS场效应管，经变压、整流、稳压、滤波、输出，取样反馈电路为主控的+20．4 V输出回路，并通过D2二极管输出。同时D2二极管输出稳压跟踪由取样、放大和调整电路组成，分别并联控制U101和U102的反馈端，并且电位器可调输出(+13．1～20 V)。主控输出的D103、V104、U105等组成欠压关闭电路控制U102脉宽调制器的输出，当该回路的主控输出出现故障，另一路开始输出。D102、R123和U104组成主输出的过压保护电路，D202、R223和U204组成从输出的过压保护电路，V1、V2、D3、D4、D5和D8等组成过、欠压故障指示。考虑到体积、效率以及干扰的影响，电路的开关工作频率为200 kHz，电路内各开关点设有RC尖峰吸收网络和抗电磁干扰的电网滤波，各路输出均设有过流保护和软启动电路，以提高电路的可靠性。图1为其电原理图。

1．2 关键元器件的选取
(1)该电路输入电压范围瞬问最高达到40 V，所以要求输入电容、供电j极管、MOS场效应管耐压较高，由此选电容耐压≥100 V，三极管开关特性好。另外该电路开关频率较高，故选取高压MOS场效应管作为主回路开关管。
(2)片电容均选用温度特性稳定的高频电容NPO，大容量的滤波电容选用超陶(镍电极)、独石电容。且均为片式元件，以排除引线带来的干扰，更好地降低输出纹波。
(3)片电阻的选择：该电路的大多片电阻均为高精度电阻，尤其是用以取样比较、驱动、防自激震荡和释放电阻，所以除了要考虑合理热设计布局以外，还需考虑留有余位，便于调试修正。
(4)二极管的选择：输出整流开关二极管既要保证高频特性好，又要求正向压降低，故选择大功率肖特基管。供电回路中稳压二极管选择玻璃钝化1 W管，高电压开关管和分路供电二极管则选用1 N4148来保证其良好的开关特性。
1．3 结构设计及可靠性要求
该产品为飞机用品，要求体积小、重量轻、散热快。依据以上特点，选用了合金铝材作为壳体，且侧壁厚加工成8 mm的M型铝条，以减小热阻。前、后面板由4个螺钉安装在铝条的端头处，便于插座脚的对外引出。壳体盖板用2 mm厚的铝板螺钉紧固，便于模块的安装调试和维护拆卸，同时增强壳体的抗形变能力。
理论以整机的最高使用环境温度为基准；电路环境为飞机座舱环境。按照《国家军用标准可靠性Ⅲ》可靠性预计理论计算，平均故障间隔时间为5．460 6×104小时。
该产品经例行试验(标志耐久性、可焊性、引出端强度、温度循环、稳态湿热、扫频振动、机械冲击及稳态寿命等试验)全部合格，证明产品的可靠性达到标准要求，同时满足了用户需求。

2 技术难点和解决措施
2．1 电路模式与集成电路的选定
该产品与一般的备份均流电路不同，具有自检测切换功能。为提高产品效率和避免同时工作的干扰，要求主路输出时，从路不可工作。首先将各路设计为输出分别取样，反馈控制为+20．4 V，不能过压；总输出回路通过串联U2、U3光电耦合器的取样电路，分别并联控制U101和U201的反馈端，总输出取样点低于各路取样(+20．4 V)，经多次试验比较，选取合适的电阻电容，控制集成电路可调输出，最初干扰较强，尤其是纹波较大，无法稳定输出，若将从路完全关掉，又出现切换时瞬间掉电现象。通过调整电路组合，改变控制模式，最终选取主路欠压切换电路控制从路待机工作，并通过精密计算和高、低温试验以及电位器自身调整。经论证和隔离要求，选定了基准、光电耦合器等集成电路，达到了设计要求，同时使产品效率得到提高。

2．2 工艺布局设计
按照热设计的原则，要考虑分体模块的完整，同时还应考虑整体散热布局和相互衔接。文中通过模拟试验和布局设计，确定将控制部件和对热敏感元器件安装在远离发热元器件位置。PCB板和铝基板整体采用平面化表面组装设计，尽量减少过长走线，利用PCB的双面布线，背面尽量不设元器件，减小模块厚度且便于粘接、调试。功率器件采用再流焊工艺，增大散热区域。取样电阻尽量靠近引出端，提高输出负载稳定度。端口增设无感电容，减少输出尖峰干扰。输入口增设滤波网络，同时各模块设有二次滤波，增强抗电磁干扰和相互辐射干扰。铝基板调整完用硅胶表面涂敷，后用填充料固化保护。通过上述的对应措施，使本产品工作更为可靠，进一步提高了各项指标。

3 结束语
该产品用于飞机舱灯电源控制系统，因其独特的专用性，无法与同类产品比较，但针对原分立器件组装的大功率变换器电源，除保证原有的电性能以外，还有以下特点：
(1)易散热、安装方便。专用96线多备份航空插座和防插错端口，使产品安全可靠。整体效率高。由于各路输入、输出分别控制，可维修性、可测试性、综合保障性得以发挥。
(2)重量轻，机械性能可靠。由于采用全表面贴装结构，元器件全部小型化、微型化，使之重量远远低于分立器件，同时结构散热为8 mm厚铝材，两方向各有6个M3紧固，使抗振动冲击能力增强，不会出现元器件引线振动冲裂和模块松散。
(3)输出稳定可靠，引出端子规格标准、通用。且各有电网滤波抗电磁辐射干扰，各路输出闭环稳压控制使输出稳定，便于使用。
同时该产品的研制成功具有良好的经济效益。且产品可推广应用至其他相关领域，具有一定的应用前景。