一种多路输出军用车载电源的设计

1 引言

本文引用地址： 本文提到的多路输出军用车载电源是一种输入输出均为低压大电流的双路DC/DC开关电源。输入电压9～15V，输出电压2路：一路24V；一路5V。24V输出又同时供给三路负载；输入电压又直接供给两路负载，如图1所示。

图1 电路框图

考虑到输出独立保护的要求，本电源采用了两路独立的电路结构，24V输出功率较大采用Forward，5V输出功率较小采用Flyback。

下面就电路中一些特殊的设计做一些介绍。

2 散热器设计

散热方式是电源产品设计中首先需要考虑的部分，因为，它关系着电路设计中元器件的选取，PCB的设计等一系列问题。通常的电源产品都采用风扇冷却，这样可以达到比较好的散热效果。

本文提到的军用车载电源，由于长期工作在震动和冲击的环境下，采用风扇冷却会影响电源系统的可靠性，因此，采用自然冷却的散热结构。整个装置的散热器结构安排如图2所示。功率半导体器件放在PCB板的背面并紧贴底板，直接通过底板散热，底板采用厚铝材料，整个装置安装在大铁板上（装甲车）。装置的两侧用带翼的散热片，兼起支撑作用。这样整个散热器的安排不但能达到比较好的散热效果，还可以充分利用PCB板的空间，一定程度上减少了整个装置的体积。

图2 散热器结构

3 三重过流保护

由于是军用车载电源，对装置的稳定性和可靠性要求非常高，所以，采用了三重过流保护，即微秒级保护、毫秒级保护及秒级保护。

3.1 微秒级保护

微秒级保护是指电源出现输出过流或者短路时，在一个开关周期内就能进行保护。因为，通常开关周期都是设计为微秒级，所以，称此保护为微秒级保护。具体的实施方法如图3所示，峰值电流控制信号连到PWM芯片L5991[1]的脚ISE，当脚ISE的电压大于1V时，L5991输出就为低电平，从而关断开关管。此保护在每个开关周期进行判断，因此，反应速度比较快，用以保护瞬间的过流。

图3 电流峰值保护及恒流保护电路

3.2 毫秒级保护

毫秒级保护是指PI环的恒流保护，它的保护时间一般在几十到几百个开关周期，这里就称它为毫秒级保护。由于取样电流峰值保护是单周保护，稳定性不是很好，只能对过渡过程的过流进行有效的保护。因此，针对较长时间的短路或过流，在这里采用PI环的恒流保护还是很有必要的。图3虚线框内为恒流保护电路，它利用峰值电流控制中的电流信号作为输入信号，通过一个由D1，R1，C1组成的峰值保持电路和由运放组成的PI环节得到一个误差信号，在变换器的输出电流超过限定值的时候，该误差信号就会控制PWM芯片的占空比，从而使输出电流保持在限定值。由于D2存在，当输出电流低于限流值时，该部分电路对占空比的控制不起作用。

3.3 秒级保护

秒级保护是指电路中的自恢复保险丝保护（自恢复保险丝的保护时间在几秒以上），如图1所示。当电路处于上述的恒流保护，如果时间过长会使装置过热，若按照过流保护来做热设计会增加装置的成本。因此，对于长时间(几秒以上)的短路或过流，需要用保险丝进行保护。本装置中采用的是自恢复保险丝，当负载恢复正常时，自恢复保险丝也能恢复到正常导通状态。采用自恢复保险丝的另外一个原因是装置要求的每路负载独立保护，当一路过流保护时，该路的自恢复保险丝断开，其他几路还能正常工作。5V那一路没加自恢复保险丝是考虑到它本身就只有一路负载，可以通过微秒级和毫秒级实现保护，另外由于5V输出电压比较小，加上自恢复保险丝会影响其输出调整率。

4 RCD/RC双重吸收

反激变换器由于变压器漏感的存在，当开关管关断时，开关管的D－S两端会产生比较高的电压尖峰。这个电压尖峰增大了开关管的电压应力，同时又会产生电磁干扰，因此，必须采用吸收电路加以抑制。RCD吸收电路由于简洁且易实现，在小功率场合是比较常用的。RCD吸收反激变换器如图4所示。从图6中可以看到，加RCD吸收电路以后，开关管D－S两端的电压尖峰大大地减少了，但是，同时也产生了新的更高频率的振荡，究其原因是变压器原边漏感与二极管的结电容谐振引起的。从电磁兼容考虑该振荡必须加以抑制。改变R，C，D的参数对新的振荡的影响并不大，因此，需要附加其它电路来抑制，在开关管D－S两端加上RC吸收电路在实验中取得了比较理想的效果。图5即为RCD/RC双重吸收电路，图7所示的是RCD吸收反激变换器和RCD/RC双重吸收反激变换器开关管Vds的实验波形。

图4 RCD吸收电路

图 5RCD/RC双重吸收电路

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