一种多路大功率开关电源设计

2021-12-02范存钰

科学技术创新 2021年32期

范存钰

（中电科西安导航技术有限公司，陕西西安 710068）

随着电子技术的发展，电子设备对于电源的性能及功能要求越来越高。最开始人们普遍使用线性电源，线性电源的优点是“安静”，因为其工作的频率较低，所以既没有噪声问题，也不会产生严重的电磁干扰（EMI），但是线性电源由于同功率下体积大、调整率差、效率低等性能问题，不能满足电子设备向精细化、集成化发展，因此人们逐渐将目光投在了开关电源上。开关电源因其前端使用的高频开关代替了线性电源使用的低频变压器而得名，作为目前人们最优先选择的电源，其在航空航天、通信、仪器仪表、工业制造、医疗器械以及人们常用的家电方面，都发挥着十分重要的作用。同时，人们对于电源的需求也随着时代的发展而增加。从最初的稳压输出开始，人们希望开关电源能够在有限的空间内具有更高的输出功率，更好的效率，更丰富的输出路数以及更完备的软件控制。

1 概要

本文中根据某项目电子系统的设计要求，需要实现输入交流电压：198～242V；输出九路直流电压/电流；电压调整率2%以下，电流调整率3%以下，效率83%以上，功率因数99%以上；具备输入过欠压保护，输出过欠压保护，短路保护，过温保护等功能；在80℃高温下能够正常工作；向检视的上位机发送报文，报文内容需包括电源各路的工作情况及状态等；开关电源的尺寸要求长宽高不得超过220mm× 180mm× 45mm。

2 电源系统设计方案

2.1 电路设计方案概述

硬件设计：由外界输入电源的220V 交流电在经过整流之后得到300V 直流电，此时我们有两种选择：第一种是将300V 直流电直接一对一通过九个反激式开关电源拓扑电路，转化为我们需要的九路输出；第二种是将300V 直流电先通过一个反激式电路转化为低压的28V 直流电，再由28V 直流电通过一对一的九个反激式电路转化为我们需要的九路电源输出。考虑到反激式电路自身电压电流输出特性一般，对开关管的占空比调整及整流管的要求较高，若直接由300V 直流电进行转化，像3.3V/5A，5V/2A 等这种的低功率输出的电特性会难以满足要求，因此我们选择第二种设计思路进行设计。

软件设计：设定好每一路的基准值，电源的输出电压电流经过精密采样电阻采样得到的数值，与基准值进行比对。若无误，则以报文形式发送“正确”；若有误，则以报文形式发送“故障”，并标明故障发生在哪一路输出上。

2.2 电路设计原理方框图

电路流程图如图1 所示。

图1 电路流程图

2.2.1 电网滤波电路：消除电网干扰。在公共电网上存在这各种形式的干扰，除了供电中断可以被人为明显察觉出以外，绝大多数干扰都是不容易被人们察觉的。然而，正是由于这种不易察觉的干扰对正常运行的电器电子设备存在着严重的威胁，轻则使通讯中断数据丢失，重则会烧毁电子设备。因此，有效的减小电网干扰对电源的正常工作运行十分重要。为满足EMI 要求，必须在电源收入后加入电网滤波电路。

2.2.2 PFC 电路：PFC 的全称为“Power Factor Correction”，功率因数是指有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度。

经过电网滤波电路之后，接入整流桥，将220V 交流电整流为300V 直流电。在整流桥后加入大容量电容，使得整流后的直流波形更加平滑，为保证电源在空载断电后电容能够快速放电，在电容的两端并联一个电阻。

在整流后进入PFC 电路。此处采用了主动式PFC，通过专用IC 去调整电流的波形，对电流电压之间的相位差进行补偿，可以达到99%的功率因数，大大提高了效率。同时，主动式PFC 输出的直流电压纹波很小，后面不需要才用体积巨大的滤波电容，既缩小了电源整体的体积，也保证了二级DC-DC 的输入端能够获得较为平稳的直流电。

2.2.3 一级DC-DC：将通过PFC 的高压直流电转化为28V直流电。此处使用反激式开关电源电路。相对于此次设计，反激式开关电源具有以下优点，第一，反激式开关电源的拓扑简单，相比于正激式开关电源，反激式开关电源少用了一个大容量储能滤波电容和整流二极管，大大节省了空间；第二，反激式开关电源不需要磁芯复位绕组，当开关关断时，反激式变换器的储能被释放到负载，磁芯自然复位；第三，反激式开关电源的电压器不仅具有储能功能，还可具有电压变换和隔离功能，非常适合功率小，路数多的电源设计。

2.2.4 二级DC-DC：将28V 直流电转为九路需要的直流电，所有输出出之间相互隔离。所有输出隔离的主要原因有以下三点，第一点，电源的隔离耐压又叫抗电强度，隔离是为了防止人员受到物理和电气伤害，其中包括避免人受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。第二点，隔离电源输入与输出隔离分开，在电源产品出现异常时，可起到对后级负载设备和系统的保护作用，避免其受到电击伤害、物理伤害、爆炸伤害等。第三点，隔离电源去除隔离电路之间的接地环路，可切断共模、浪涌等干扰信号的传播路径，有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，能提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力。

2.2.5 后级滤波：让输出的波形更加平滑。开关电源由于其开关管工作在高频状态，所以在输出会产生高频谐波，影响后面电子设备的使用，因此在开关电源的输出应做好滤波的处理。开关电源的工作频率越高，其体积就越小。开关电源的工作频率从几十KHz 到几MHz 不等。在开关电源中，电容的ESR 直接影响到电容的效果，它比电容器的容量还要重要，当工作频率提高时（几百KHz），电容的容量会急剧降低，甚至根本起不到电容的作用。

在滤波时我们常用LC 电路滤波，由于这种电路是非纯阻性电路，两个元器件工作在某些频率时，电容和电感的容性和感性会发生变化，从而产生寄生感抗和容抗，影响波形的稳定。所以我们在选取电感与电容时，应在他们的谐振频率范围之内选取。

2.2.6 422 软件控制：对电源总体进行监督和控制。通过对输入、输出以及电源内温度的采样，与基准源作对比后，将电源内部的情况统合成报文的形式，以422 软件协议发出，让人能够在看不见摸不着电源的情况下清楚地了解电源的工作情况。

2.3 电源结构设计

2.3.1 概述。电源作为主要的供电单元，工作时是主要的热源之一，而电源发热的主要部件在每个集成电路的芯片。在电源内部没有风扇及通风口的情况下，散热的唯一方式是自然传导散热。芯片散发的热量通过电源壳体，再由壳体将热量散发到空气中。

2.3.2 问题描述。2.3.2.1 安装空间：由于该电源是安装在天线座内部支架处，且周围还安装有其他诸如频合器、接线端子、内部线缆等，安装空间狭小，安装面无任何冷却措施，只能通过电源模块盒体与安装支架进行自然传导散热。2.3.2.2 电源主要热源：电源芯片：6W/个，共10 个，分布在印制板两侧，实现多路输入、输出；2.3.2.3 功率器件：15W，1 个；2.3.2.4 电源尺寸及内部热源分布：外形尺寸：长215mm× 宽162mm× 高82mm。

2.3.3 设计方案。由于电源工作条件的特殊性及安装空间的局限性，限制了电源其他更好的散热形式，因此只能采用自然传导的方式散热。

图2 电源外形尺寸

经计算，在不采用翅片的情况下，用自然传导方式传热，求得该电源的热流密度为0.062W/cm2，大于自然换热所要求的热流密度0.05W/cm2，影响电源的性能及技术指标。

采用在盒体及盒盖上加工出翅片，增加电源结构件散热面积，并使其形成自然换热的风道，达到散热效果。同时为减小接触热阻，要求电源内部热沉与芯片管壳的接触面、电源盒体与天线座侧壁接触面的表面光洁度达到3.2 微米。通过再次校核计算，增加翅片后的热流密度为0.043W/cm2，满足自然散热的需求。

热仿真分析：该电源安装在天线座内部，而天线座属舱外设备，其环境温度为+65℃（已考虑太阳辐射所造成的温升叠加），电源芯片壳温≤105℃，电源热耗约75W，通过仿真找到器件稳态温度分布，发现温度最高部位，验证该散热方式是否合适及需改进的部分。

如图3 所示，电源安装于天线座内部支架，热量随图示的空气流向周围空间散热。

图3 电源模块的空气流场图

通过仿真，发现电源芯片壳温都在105～106℃，15W 热耗的功率器件最高壳温108.85℃。产生原因是散热方式及安装位置的局限。由于是自然传导散热，翅片的换热效率为60%左右，换热系数小，每个电源芯片热源部位温升很高，达到40℃，因此电源模块的芯片都是在高温环境下工作，对芯片使用寿命影响较大，容易产生失效。

基于上述有可能造成电源失效的风险，目前采取两种解决方案：第一，更改安装环境：建议用户单位将电源安装在空间大，空气流动性好或用强迫风冷的方式散热，增加空气的流动性，保证翅片换热性好；第二，改进电源的结构设计：电源盒体采用均温板加散热翅片散热方式，通过均温板快速将电源芯片的点热源扩散为面热源，在通过翅片散热传递到外部空间，从而提高电源换热效率，同时适当改进翅片的结构分布及方向，使翅片方向与热量传递方向一致，也可提高翅片的换热效率。