星载多路输出开关电源的设计

张乾+刘克承+王卫国

摘 要： 介绍一款星载多路输出开关电源。该电源的设计方法能够满足绝大部分星载多路输出开关电源的需求。重点介绍该电源的部分设计特点，分析工作原理，并给出了设计公式。实践表明，该电源优化了星载开关电源小型化设计，可广泛应用于星载多路开关电源。

关键词： 星载电源； 多路输出开关电源； 小型化设计； 电路设计

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0145?03

Design of satellite?borne multi?channel output DC/DC converter

ZHANG Qian， LIU Ke?cheng， WANG Wei?guo

（Lanzhou Institute of Physics， Lanzhou 730000， China）

Abstract： A satellite?borne multi?channel output DC/DC converter is introduced. The method of the power supply design can meet the needs of most of the satellite?borne multi?channel output DC/DC converters. The design characteristics of the power supply are particularly introduced. The operating principle is analyzed. The design formulas are also given. The miniaturization design of the satellite?borne DC/DC converter was optimized. It can be widely used in satellite?borne multi?channel output DC/DC converters.

Keywords： satellite?borne power supply； multi?channel output DC/DC converter； miniaturization design； circuit design

随着我国航天事业的发展，卫星有效载荷的数量和种类越来越多，势必要求与之相配套的开关电源的体积和重量进一步减小。因此，开关电源的小型化设计成为目前星载开关电源研究的一个热门课题。众所周知，开关电源的小型化可以从优化电路设计和采用新工艺两个方面入手，例如采用混合厚膜工艺可以大幅度地减小电源的体积和重量，但国产混合厚膜开关电源在航天领域目前还处在推广中，主要是其抗辐照性能对于高轨长寿命卫星来说存在着一定的局限性。因此，采用表贴工艺的开关电源在航天领域依然具备广阔的市场。这就要求必须在电路设计上进行优化，以满足星载开关电源小型化的要求。本文介绍一种多路输出开关电源，它采用不同拓扑组合的方式，能够满足星上大部分中小功率设备的供电需求。

1 星载多路输出开关电源的几种设计方案

1.1 单端反激式多路输出开关电源

图1所示单端反激式多路输出开关电源的设计思路是：考虑到星载开关电源的磁隔离要求，采取前级自持预稳压，后级各路输出进行二次稳压的方式。反激式拓扑的特点是电路结构简单，易于实现多路输出。如果不采用二次稳压，次级各路输出的电压和负载稳定度不会优于±3%，很难满足星上大部分用电设备的需求，因此，常常会在输出端进行二次稳压。常用的方法是采用三端稳压器进行二次稳压，这样输出各路电压稳定度优于±1%，能够满足星上用电设备的需求，采用三端稳压器进行二次稳压的另一个优点是如果用电设备对低频干扰比较敏感，那么输出后级采用三端稳压器进行二次稳压还能有效隔离输入端引入的低频干扰，保证用电设备正常工作[1]。但是单端反激式多路输出开关电源同样有它的局限性，如果其中某一路输出电流比较大，后级采用三端稳压器进行二次稳压会造成很大的功耗，从而降低了电源的转换效率，进而影响了电源的工作寿命。

1.2 单端正激式多路输出开关电源

图2所示单端正激式多路输出开关电源的设计思路是：主路输出采用闭环直接反馈控制，辅输出采用磁链耦合技术以改善辅路输出的电压和负载稳定度。设计上一般主路输出功率比较大，辅路输出功率相对比较小，即便如此辅路输出的电压和负载稳定度也不会优于±5%，而且辅路输出的功率越大，辅路输出的稳定度也越差。这种方案一般设计成3路电源，路数再多辅路输出的稳定度就无法接受了。总体上单端正激式多路输出开关电源辅路输出负载和电压稳定度要比单端反激式多路输出开关电源各路输出负载和电压稳定度差。

图1 单端反激式多路输出

图2 单端正激式多路输出开关电源

1.3 单端反激和单端正激相结合的多路输出开关电源

从图3可以看出电源由反激拓扑和正激拓扑组成，考虑到电源小型化的需求，电源共用一个消浪涌电路和输入滤波电路。反激电路组成三路小电流输出，后级各路输出通过三端稳压器进行进一步稳压，反激主变压器上绕制的两个辅助绕组的输出电压给正激电路的PWM芯片供电，由于反激电路采取了前级预稳压，同时给PWM芯片供电的负载电流比较小（小于100 mA）。因此反激主变压器上的两个辅助绕组给PWM芯片的供电电压非常稳定，能够满足在不同条件下PWM芯片的供电要求。这种方案既满足了星用开关电源的磁隔离要求，又避免了方案（1）中大负载电流下使用三端稳压器进行二次稳压造成的功耗过大的问题，同时也解决了方案（2）中的辅路输出稳定度不高的问题。最大的优点是这种方案不受路数上的限制，设计上可以把小电流各路全部在单端反激中输出，大电流各路从单端正激中输出。本文设计了一款五路输出电源，其中18.5 V，±14.5 V负载电流小于1 A从三路反激电源中出；7.5 V，5.5 V负载电流比较大从正激电源中出，它们的PWM芯片供电电压都是从三路反激电源的辅助绕组中输出的。

2 关键电路参数设计

技术指标如下：输入电压为DC 25～33 V；开关频率为200 kHz；最大占空比为0.5；输出电压/电流为18.5 V/0.33 A， +14.5 V/0.3 A，-14.5 V/0.11 A，7.5 V/2.9 A，5.5 V/5.8 A；转换效率≥78%。

图3 单端反激和正激相结合的多路输出开关电源

2.1 变压器的设计

电源涉及反激电路和正激电路变压器的设计，反激变换器的特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感存储能量，负载的能量从输出滤波电路的电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量[6]。具体设计如下：由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传输过程中的尖峰和振铃作用，因此采用这种材料作为变压器磁芯是最好的选择之一。综合考虑反激电源的额定功率，转换效率以及磁芯的窗口利用率，选择RM8作为反激电源变压器的磁芯。初级线圈的峰值电流为：

[Ipmax=2TPoTonmaxUiminη] （1）

式中：[Uimin]为变压器初级输入的最小直流电压；T为开关电源周期；[Tonmax]为开关管导通时间；[Po]为输出功率；η为变换效率。

初级线圈的电感为：

[Lp=UiminTonmax0Ipmax] （2）

初级绕组的匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （3）

式中：[Sc]为磁芯有效截面积；[ΔB]为磁芯工作磁感应强度。

初次级绕组匝数比为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （4）

式中：[UD]为输出整流二极管，[Us]为次级输出电压。

次级绕组匝数为：

[n12=NpNs] （5）

变压器气隙为：

[Ig=μrN2pScLp] （6）

式中：[Ig]的单位为mm；[μr]=4π，[Sc]的单位为mm2；[Lp]的单位为mH。按照式（1）～式（6）计算得：[Ipmax]=3 A， [Lp]=16.7 μH， [Np]=7匝；18.5 V的匝数为9匝；±14.5 V时匝数为7匝。给PWM芯片供电的两个辅助绕组的匝数为6匝，变压器气隙为0.24 mm。

正激电路变压器的设计同样需要综合考虑电源的额定功率，转换效率、磁芯的窗口利用率以及磁芯的最佳磁密度。7.5 V选择RM6作为变压器磁芯，5.5 V选择RM8作为变压器磁芯。初级绕组匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （7）

式中：[Tonmax]的单位为s，[ΔB]的单位为T，[Sc]的单位为cm2。

次级绕组匝数为：

[Ns≥Np（Us+UD）DmaxUimin] （8）

式中[Dmax]为最大占空比。

按照式（7）～（8）计算得：7.5 V输出[Np]为13匝，[Ns]为10匝；5.5 V输出[Np]为8匝，[Ns]为5匝。变压器导线电流密度取7～8 A/mm2。

2.2 输出滤波电路的设计

反激变换器由于其主变压器初级充当了储能电感的作用，因此其输出各路可以不要差模电感，考虑到EMC的需要，可在输出各路增加一个共模电感，反激变换器的输出电容可由式（9）算出。

[C≥5TsU08UoppR] （9）

式中：[Ts]为电源周期；[U0]为电源各路额定电压；[Uopp]为输出纹波电压，[R]为负载电阻，工程实际中还需要考虑电源的ESR值。

按照式（9）计算得：18.5 V输出[C≥]21 μF，14.5 V输出[C≥]19 μF，-14.5 V输出[C≥]7 μF。正激变换器输出差模电感工作在连续状态其输出纹波电压小，工作在非连续状态其输出纹波电压大。设计上一般将额定输出电流的设定为电感连续和非连续工作状态的临界点，得到输出差模电感的计算公式为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （10）

按照式（10）计算得：7.5 V输出[L0]=57 μH，5.5 V输出[L0]=20 μH。按照式（9）计算得各路输出滤波电容：7.5 V输出[C≥]169 μF，5.5 V输出[C≥]365 μF。

2.3 关键点波形和数据

表1列出了反激电路两个辅助绕组给正激电路PWM芯片供电的电压在不同输入电压负载一定下的电压值，表2列出了输入电压一定负载变化下的电压值。

表1 不同输入电压负载一定下的电压值 V

表2 输入电压一定负载变化下的电压值 V

图4 额定输入下反激电路主开关管漏源波形

图5 额定输入下7.5 V正激电路主开关管漏源波形

3 结 论

本文介绍了一种新型的星用多路输出开关电源，不仅有效地解决了传统星用开关电源的一些弊病，同时在电源的小型化设计上具备一定的优势，在星用开关电源的应用上具备广阔的前景。

图6 额定输入下5.5 V正激电路主开关管漏源波形

参考文献

[1] PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3] 户川治郎.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.

[4] 甘久超，谢运祥，颜凌峰.DC/DC变换器的多路输出技术综述[J].电工技术杂志，2002（4）：1?4.

[5] 何颖彦，顾亦磊，钱照明.一种采用磁放大器技术的新颖多路输出变换器[J].电力系统自动化，2005（1）：69?72.

[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

2 关键电路参数设计

技术指标如下：输入电压为DC 25～33 V；开关频率为200 kHz；最大占空比为0.5；输出电压/电流为18.5 V/0.33 A， +14.5 V/0.3 A，-14.5 V/0.11 A，7.5 V/2.9 A，5.5 V/5.8 A；转换效率≥78%。

图3 单端反激和正激相结合的多路输出开关电源

2.1 变压器的设计

电源涉及反激电路和正激电路变压器的设计，反激变换器的特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感存储能量，负载的能量从输出滤波电路的电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量[6]。具体设计如下：由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传输过程中的尖峰和振铃作用，因此采用这种材料作为变压器磁芯是最好的选择之一。综合考虑反激电源的额定功率，转换效率以及磁芯的窗口利用率，选择RM8作为反激电源变压器的磁芯。初级线圈的峰值电流为：

[Ipmax=2TPoTonmaxUiminη] （1）

式中：[Uimin]为变压器初级输入的最小直流电压；T为开关电源周期；[Tonmax]为开关管导通时间；[Po]为输出功率；η为变换效率。

初级线圈的电感为：

[Lp=UiminTonmax0Ipmax] （2）

初级绕组的匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （3）

式中：[Sc]为磁芯有效截面积；[ΔB]为磁芯工作磁感应强度。

初次级绕组匝数比为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （4）

式中：[UD]为输出整流二极管，[Us]为次级输出电压。

次级绕组匝数为：

[n12=NpNs] （5）

变压器气隙为：

[Ig=μrN2pScLp] （6）

式中：[Ig]的单位为mm；[μr]=4π，[Sc]的单位为mm2；[Lp]的单位为mH。按照式（1）～式（6）计算得：[Ipmax]=3 A， [Lp]=16.7 μH， [Np]=7匝；18.5 V的匝数为9匝；±14.5 V时匝数为7匝。给PWM芯片供电的两个辅助绕组的匝数为6匝，变压器气隙为0.24 mm。

正激电路变压器的设计同样需要综合考虑电源的额定功率，转换效率、磁芯的窗口利用率以及磁芯的最佳磁密度。7.5 V选择RM6作为变压器磁芯，5.5 V选择RM8作为变压器磁芯。初级绕组匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （7）

式中：[Tonmax]的单位为s，[ΔB]的单位为T，[Sc]的单位为cm2。

次级绕组匝数为：

[Ns≥Np（Us+UD）DmaxUimin] （8）

式中[Dmax]为最大占空比。

按照式（7）～（8）计算得：7.5 V输出[Np]为13匝，[Ns]为10匝；5.5 V输出[Np]为8匝，[Ns]为5匝。变压器导线电流密度取7～8 A/mm2。

2.2 输出滤波电路的设计

反激变换器由于其主变压器初级充当了储能电感的作用，因此其输出各路可以不要差模电感，考虑到EMC的需要，可在输出各路增加一个共模电感，反激变换器的输出电容可由式（9）算出。

[C≥5TsU08UoppR] （9）

式中：[Ts]为电源周期；[U0]为电源各路额定电压；[Uopp]为输出纹波电压，[R]为负载电阻，工程实际中还需要考虑电源的ESR值。

按照式（9）计算得：18.5 V输出[C≥]21 μF，14.5 V输出[C≥]19 μF，-14.5 V输出[C≥]7 μF。正激变换器输出差模电感工作在连续状态其输出纹波电压小，工作在非连续状态其输出纹波电压大。设计上一般将额定输出电流的设定为电感连续和非连续工作状态的临界点，得到输出差模电感的计算公式为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （10）

按照式（10）计算得：7.5 V输出[L0]=57 μH，5.5 V输出[L0]=20 μH。按照式（9）计算得各路输出滤波电容：7.5 V输出[C≥]169 μF，5.5 V输出[C≥]365 μF。

2.3 关键点波形和数据

表1列出了反激电路两个辅助绕组给正激电路PWM芯片供电的电压在不同输入电压负载一定下的电压值，表2列出了输入电压一定负载变化下的电压值。

表1 不同输入电压负载一定下的电压值 V

表2 输入电压一定负载变化下的电压值 V

图4 额定输入下反激电路主开关管漏源波形

图5 额定输入下7.5 V正激电路主开关管漏源波形

3 结 论

本文介绍了一种新型的星用多路输出开关电源，不仅有效地解决了传统星用开关电源的一些弊病，同时在电源的小型化设计上具备一定的优势，在星用开关电源的应用上具备广阔的前景。

图6 额定输入下5.5 V正激电路主开关管漏源波形

参考文献

[1] PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3] 户川治郎.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.

[4] 甘久超，谢运祥，颜凌峰.DC/DC变换器的多路输出技术综述[J].电工技术杂志，2002（4）：1?4.

[5] 何颖彦，顾亦磊，钱照明.一种采用磁放大器技术的新颖多路输出变换器[J].电力系统自动化，2005（1）：69?72.

[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

2 关键电路参数设计

技术指标如下：输入电压为DC 25～33 V；开关频率为200 kHz；最大占空比为0.5；输出电压/电流为18.5 V/0.33 A， +14.5 V/0.3 A，-14.5 V/0.11 A，7.5 V/2.9 A，5.5 V/5.8 A；转换效率≥78%。

图3 单端反激和正激相结合的多路输出开关电源

2.1 变压器的设计

电源涉及反激电路和正激电路变压器的设计，反激变换器的特点是当主功率开关管导通时变压器原边电感存储能量，负载的能量从输出滤波电路的电容处得到；而当关断时，变压器原边电感的能量将会传送到副边负载和它的滤波电容处，以补偿滤波电容在开关导通状态下消耗的能量[6]。具体设计如下：由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传输过程中的尖峰和振铃作用，因此采用这种材料作为变压器磁芯是最好的选择之一。综合考虑反激电源的额定功率，转换效率以及磁芯的窗口利用率，选择RM8作为反激电源变压器的磁芯。初级线圈的峰值电流为：

[Ipmax=2TPoTonmaxUiminη] （1）

式中：[Uimin]为变压器初级输入的最小直流电压；T为开关电源周期；[Tonmax]为开关管导通时间；[Po]为输出功率；η为变换效率。

初级线圈的电感为：

[Lp=UiminTonmax0Ipmax] （2）

初级绕组的匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （3）

式中：[Sc]为磁芯有效截面积；[ΔB]为磁芯工作磁感应强度。

初次级绕组匝数比为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （4）

式中：[UD]为输出整流二极管，[Us]为次级输出电压。

次级绕组匝数为：

[n12=NpNs] （5）

变压器气隙为：

[Ig=μrN2pScLp] （6）

式中：[Ig]的单位为mm；[μr]=4π，[Sc]的单位为mm2；[Lp]的单位为mH。按照式（1）～式（6）计算得：[Ipmax]=3 A， [Lp]=16.7 μH， [Np]=7匝；18.5 V的匝数为9匝；±14.5 V时匝数为7匝。给PWM芯片供电的两个辅助绕组的匝数为6匝，变压器气隙为0.24 mm。

正激电路变压器的设计同样需要综合考虑电源的额定功率，转换效率、磁芯的窗口利用率以及磁芯的最佳磁密度。7.5 V选择RM6作为变压器磁芯，5.5 V选择RM8作为变压器磁芯。初级绕组匝数为：

[Np=UiminTonmaxScΔB×104] （7）

式中：[Tonmax]的单位为s，[ΔB]的单位为T，[Sc]的单位为cm2。

次级绕组匝数为：

[Ns≥Np（Us+UD）DmaxUimin] （8）

式中[Dmax]为最大占空比。

按照式（7）～（8）计算得：7.5 V输出[Np]为13匝，[Ns]为10匝；5.5 V输出[Np]为8匝，[Ns]为5匝。变压器导线电流密度取7～8 A/mm2。

2.2 输出滤波电路的设计

反激变换器由于其主变压器初级充当了储能电感的作用，因此其输出各路可以不要差模电感，考虑到EMC的需要，可在输出各路增加一个共模电感，反激变换器的输出电容可由式（9）算出。

[C≥5TsU08UoppR] （9）

式中：[Ts]为电源周期；[U0]为电源各路额定电压；[Uopp]为输出纹波电压，[R]为负载电阻，工程实际中还需要考虑电源的ESR值。

按照式（9）计算得：18.5 V输出[C≥]21 μF，14.5 V输出[C≥]19 μF，-14.5 V输出[C≥]7 μF。正激变换器输出差模电感工作在连续状态其输出纹波电压小，工作在非连续状态其输出纹波电压大。设计上一般将额定输出电流的设定为电感连续和非连续工作状态的临界点，得到输出差模电感的计算公式为：

[L0≥（Uin-U0）U0TUinI0] （10）

按照式（10）计算得：7.5 V输出[L0]=57 μH，5.5 V输出[L0]=20 μH。按照式（9）计算得各路输出滤波电容：7.5 V输出[C≥]169 μF，5.5 V输出[C≥]365 μF。

2.3 关键点波形和数据

表1列出了反激电路两个辅助绕组给正激电路PWM芯片供电的电压在不同输入电压负载一定下的电压值，表2列出了输入电压一定负载变化下的电压值。

表1 不同输入电压负载一定下的电压值 V

表2 输入电压一定负载变化下的电压值 V

图4 额定输入下反激电路主开关管漏源波形

图5 额定输入下7.5 V正激电路主开关管漏源波形

3 结 论

本文介绍了一种新型的星用多路输出开关电源，不仅有效地解决了传统星用开关电源的一些弊病，同时在电源的小型化设计上具备一定的优势，在星用开关电源的应用上具备广阔的前景。

图6 额定输入下5.5 V正激电路主开关管漏源波形

参考文献

[1] PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3] 户川治郎.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.

[4] 甘久超，谢运祥，颜凌峰.DC/DC变换器的多路输出技术综述[J].电工技术杂志，2002（4）：1?4.

[5] 何颖彦，顾亦磊，钱照明.一种采用磁放大器技术的新颖多路输出变换器[J].电力系统自动化，2005（1）：69?72.

[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.