基于DC—DC变换器的发射控制系统二次电源设计

曾辉 奚国权 梁巍

发射控制系统介于载机和导弹之间，主要完成载机和导弹的信息交联、导弹的供电以及发射等控制功能，是空空导弹系统的重要组成部分。发射控制系统二次电源设计目的是通过电压变换，将载机提供的电源转换为供发射控制系统及导弹使用的工作电源，其稳定性、可靠性及质量优劣直接决定着发射控制系统工作的可靠性及战术性能的实现，最终决定着导弹发射的成败。

DC-DC变换器以其体积小、可靠性好以及效率高等优点，在发射控制系统二次电源设计中得到了越来越广泛的应用[1]。但DC-DC变换器在工作过程中，会产生开关噪声、传导及辐射干扰，对系统的正常工作构成较大的威胁，因此，对DC-DC在发射控制系统二次电源中的应用电路进行研究，对于设计高品质的二次电源具有重要的意义。

一、DC-DC简介

DC-DC变换器是开关电源中一种常用的电压变换方式，其基本原理是：由内部集成电路控制产生电源内的所有控制信号，并在电源初级形成振荡，然后通过变压器将能量由初级传递到次级，在次级进行整流滤波输出并反馈回控制电路，以此来控制初级开关管的接通时间，实现电压调整。

不过，开关电源变换器在工作时都会产生开关噪声，其开关频率在几十到几百kHz之间，电源输入线路中会引入发射开关噪声及其高次谐波，处理不好将会对整个系统的工作信号造成干扰。所以在使用DC-DC二次电源转换模块之前，需要设计合适的电源输入电路，并对设计完成的电源进行精密的测试。

二、二次电源工作原理

目前，发射控制系统中二次电源的供电输入普遍采用载机提供+28V直流供电，而其输出供电则取决于发射控制系统的实际用电需求，主要有±15V、+5V等类型。基于DC-DC转换器的二次电源主要由输入滤波、尖峰抑制、浪涌抑制、瞬断储能、DC-DC转换以及输出滤波等电路组成，其功能框图如图1所示。

载机提供的+28V直流供电，符合GJB181（A）的相关要求。输入滤波一方面防止载机供电电源的噪声干扰进入电源系统，另一方面限制二次电源本身的噪声通过导线馈入载机供电系统[2]。尖峰抑制主要是为了抑制供电线路中的电压尖峰，确保系统不受损坏。浪涌抑制是为了满足GJB181（A）中过压浪涌和欠压浪涌的要求，确保发射控制系统在过压浪涌后不发生损坏，在欠压浪涌时不中断工作。瞬断储能是为了满足GJB181（A）中有关瞬断的要求，确保系统在瞬时掉电时不会发生计算机复位及输出异常等现象。DC-DC转换主要完成电压转换及输入输出隔离。滤波主要是限制DC-DC产生的噪声干扰等对系统的影响，提供输出电源的品质。

三、二次电源设计

3.1输入滤波电路

在载机提供的+28V直流供电中存在一定的共模和差模噪声，同时，DC-DC工作过程中，高频开关转换电路、整流二极管等也会产生较大的谐波干扰。输入滤波电路主要由电感和电容组成，对干扰和噪声进行抑制，其电路如图2所示。

L1和L2是单扼流圈，电感选取10～600mH，电容C1选取0.047～1uF，L1、L2和C1共同作用滤除系统中的差模干扰；L3和L4是两个共模线圈，电感选取10mH～40mH，电容C2和C3选取1uF～5uF，L3、L4和C2、C3共同作用滤除系统中的共模干扰。

3.2尖峰抑制电路

载机供电系统在接通或关断感性负载时，供电线路上会产生高压尖峰脉冲干扰，其持续时间短，一般为微秒级，但电压较高，对直流电路危害较大。GJB181（A）中要求用电设备应能承受直流电源线上600V/10us的正、负极性的尖峰信号。抑制尖峰电压最好的措施是在供电线路两端并入瞬态电压抑制器（TVS管），当其两端受到反向瞬态高能量冲击时，能以ns级的速度将两极间的高阻抗变为电阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个较低的预定值，从而有效地保护电路中的元器件。实际使用中，可以采用多只TVS管并联的方式来提高尖峰抑制的效果。

3.3浪涌抑制电路

载机供电系统发生短路故障或大电流切换时，其电压会产生过低或过高的瞬时浪涌，即过压浪涌和欠压浪涌，相对于欠压浪涌而言，过压浪涌如果不采取抑制措施，有可能对系统造成损坏。

GJB181中规定用电设备应能承受直流电源线上80V/50ms的过压浪涌和8V/50ms的欠压浪涌，因此在系统设计时除了选用耐压值高于80V的器件之外，还需要对过压浪涌和欠压浪涌进行抑制，以保证系统工作的可靠性。

目前在二次电源设计中应用广泛的浪涌抑制器是前端稳压模块，其输入电压为8～80V，输出电压为16～40V，完全满足系统对过压浪涌和欠压浪涌的抑制要求。

3.4瞬断储能电路

载机供电系统在进行电源切换时，产生不大于50ms的瞬时断电，为保证发射控制系统工作连续性，需要在二次电源中设置储能电路，以提供系统50ms的能量需求。

瞬断储能电路一般由限流电阻、大容量钽电容和二极管组成，其电路如图3所示。

系统上电时，28V电源通过限流电阻R向储能电容C充电，放电时，电容上的电能通过二极管D2补充到系统中，二极管D1防止电能向前端电路泄放。限流电阻R的阻值选取30～100Ω，确保电容充电时不会对载机供电系统产生大的电流冲击。二极管D1和D2的选取应视系统电流消耗情况而定。电容C的容值取决于系统的功率以及DC-DC正常工作时输入电压的下限。电容储存电能的大小和电容的容值以及电容两端的电压有关系，即 ，假设系统的功率为P，系统正常电压为U1，DC-DC输入下限电压U2，瞬断时间t，则可以计算出电容的最小容值。

3.5 DC-DC转换电路

DC-DC转换电路是二次电源设计中的关键环节，DC-DC转换器的种类较多，其中降压型的DC-DC转换器在设计中应用最为广泛。DC-DC转换模块的主要指标包括输入电压、输出电压、输出电流、效率以及纹波等，在进行器件选型时必须充分加以考虑。

DC-DC是功率转换器件，其在工作过程中会消耗一定的功率，因此，其降额设计与其他器件有所不同。大部分DC-DC转换器输出功率超过30﹪时，其综合效率才会较高，但由于器件本身发热的原因，需要将其壳温限制在一定的范围内，才能保证其可靠工作，故一般建议实际使用功率为DC-DC额定功率的30﹪～70﹪。

3.6输出滤波电路

DC-DC模块是通过半导体器件的接通和关断来工作的，并且通过占空比来控制输出电压的高低，因此，DC-DC模块工作时将在工作频率和倍频上产生一定的高频噪声（即纹波），并以差模或共模的方式通过导线向外界传导，且共模成分的能力要远大于差模成分。

输出滤波采用由共轭电感和高频电容组成的共模滤波电路，来实现对输出电压信号的纹波抑制。共轭电感的电感量一般取决于纹波电平的下限频率（即DC-DC的基波频率），高频电容的耐压值一般应高于输出电压额定值的2倍，且电容的最小容值可以通过 来进行估算。

需要注意的是，DC-DC输出端的纹波由多种倍频成分组成，在实际设计中需要根据系统工作时的实际情况进行滤波器相关参试的调试，如果有需要，可以采用多级滤波串联的方式对输出电压进行滤波处理，以使其电源满足系统的相关要求。

四、结束语

随着DC-DC技术的不断进步，其在发射控制系统二次电源设计中将扮演着越来越重要的角色。本文简述了以DC-DC为核心的发射控制系统二次电源设计中的各个关键环节，为今后进行相关设计提供了有益的参考。