采樣設(shè)備二次電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)

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1電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案

針對(duì)某地面采樣設(shè)備中所需電壓與外部供電電壓不匹配的問題，采用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部二次電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。二次電源轉(zhuǎn)換是指將外部電源電壓轉(zhuǎn)換為地面采集設(shè)備電壓，直接提供給該采集設(shè)備中的DSP芯片以及無(wú)線通信設(shè)備使用。電源轉(zhuǎn)換是變流系統(tǒng)（變頻器、逆變器、UPS、有源濾波器等）工作的橋梁紐帶。外部電壓源一般為無(wú)人機(jī)母線提供的27V電壓，通過線纜連接在地面采集設(shè)備上。經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓中間轉(zhuǎn)換后，降壓至5V/12V。轉(zhuǎn)換后的5V電壓提供給采集模塊，12V電壓提供給無(wú)線傳輸模塊。由于傳輸距離較短，在傳輸距離上可忽略傳輸壓降問題。

2硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

二次電源轉(zhuǎn)換模塊由兩部分組成，一部分為27V轉(zhuǎn)5V芯片；另外一部分是27V轉(zhuǎn)換12V芯片。電壓轉(zhuǎn)換芯片選用新雷能公司電源模塊DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片，可將27V電壓分別轉(zhuǎn)換成5V/12V的工作電壓。該芯片廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工控設(shè)備、儀器儀表、各類集成電路（DSP、FPGA、ASIC）供電應(yīng)用。DPBL16-W24S5芯片將外部27V電源轉(zhuǎn)換成DSP電路工作的5V啟動(dòng)電壓。該芯片有6個(gè)引腳：+Vin引腳連接27V外部電壓，-Vin、GND引腳連接數(shù)字地，REM為基準(zhǔn)電壓源，NP引腳懸空。經(jīng)電源模塊降壓后，引腳Vo1輸出5V工作電壓。DPE75-24S12芯片將外部27V電源轉(zhuǎn)換成無(wú)線數(shù)傳設(shè)備工作所需的+12V電源，該芯片有8個(gè)引腳：+Vin引腳連接27V外部電壓，-Vin、GND、-S引腳連接數(shù)字地，REM為基準(zhǔn)電壓源，引腳Vo1輸出12V工作電壓。二次電源轉(zhuǎn)換模塊在模塊芯片的控制下，在滿負(fù)載的情況下，為DSP芯片和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)提供穩(wěn)定的5V和12V電壓。芯片工作時(shí)，需要頻繁的使用電源芯片，將會(huì)導(dǎo)致電源的開關(guān)效應(yīng)[2]，為此電源模塊設(shè)計(jì)去高頻噪聲和濾波。在芯片的電源輸出端并聯(lián)330μF的電解電容，能夠起到蓄能、去噪聲的作用，將會(huì)有效降低電源電路上的開關(guān)噪聲[1]。在每個(gè)元器件電源輸人端和地之間都需要安裝去耦電容。去耦電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳安裝，以更好的濾除集成電路開關(guān)噪聲。去耦電容可以為集成電路進(jìn)行蓄能，也可以旁路掉該器件的高頻噪聲。電容太大不能保證電容提供髙頻電流的能力，電容過小又不能有效消除電源線上的噪聲。通常電容容量C(F)可通過以下式計(jì)算C(F)=dIdtdV（1）式中，dV表示在dt時(shí)間內(nèi)，由瞬變電流dI造成的電壓瞬間跌落[3]。通常各芯片級(jí)單位參數(shù)數(shù)量級(jí)單位為：電壓為V，電流為102mA，時(shí)間為ms，經(jīng)計(jì)算，電容應(yīng)串聯(lián)微法級(jí)別的電容為宜。針對(duì)紋波噪聲要求不嚴(yán)格的芯片電路中的去耦電容也可選用典型的去耦方案，即電壓轉(zhuǎn)換芯片的輸入和輸出端均并聯(lián)0.1μF和10μF電容。根據(jù)式（1），針對(duì)該系統(tǒng)，一般微法數(shù)量級(jí)的電容時(shí)間跌落都在微秒級(jí)別，這種延遲對(duì)系統(tǒng)影響基本不大，用于濾除高頻噪聲。0.1μF的陶瓷電容用作去耦電容，10μF的鉭電容用作低頻濾波。這兩種電容都有較低的ESR和ESL[4]，電路產(chǎn)生紋波噪聲較小，對(duì)電路性能影響不大，二次轉(zhuǎn)換電源模塊電路原理。兩組芯片輸入輸出端均連接兩組濾波電容，用于濾除電源串?dāng)_的紋波噪聲，保證了輸入輸出電壓的穩(wěn)定性

3PCB設(shè)計(jì)

二次電源電路板選用4層板，采用TOP-POW⁃ER-GND-BOTTOM的層次設(shè)計(jì)，使其抗干擾能力更強(qiáng)，各層厚度。以電路板中點(diǎn)為中心，將兩芯片與330μF的電容均衡布設(shè)在電路板上，在各層上進(jìn)行布線，電源線做到20mil的線寬。將元器件接口布設(shè)的距離串口近些，盡量減少走線的距離。焊盤印制板導(dǎo)電層銅皮厚均為70μm，而常用的銅皮厚度為35μm。更厚的敷銅提高了電流承載能力，減小了電路阻抗，可以進(jìn)一步優(yōu)化電路工作可靠性和信號(hào)完整性。過孔為1.27mm/0.7mm（50mil/28mil），安裝孔徑比實(shí)際尺寸要大0.2mm，即1.47mm/0.9mm。設(shè)計(jì)完畢后利用AltiumDesigner軟件進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)[5]。

4散熱設(shè)計(jì)

電源模塊考慮其芯片發(fā)熱特性，在該轉(zhuǎn)換模塊外部殼體采用緊貼式散熱設(shè)計(jì)，將電源模塊芯片與外部殼體物理貼緊，有利于電源散熱，以提高電源使用壽命。具體設(shè)計(jì)為材質(zhì)采用不銹鋼材，導(dǎo)熱性能較好。二次電源轉(zhuǎn)換電路板外殼處設(shè)置兩處“回形”凸起5mm，使其與電源模塊芯片進(jìn)行物理接觸散熱

5測(cè)試結(jié)果分析

由于輸入電壓為高電平，所以測(cè)試中將穩(wěn)壓電源的輸入端接在外部電源端，穩(wěn)壓電源輸出端接在示波器的輸入端，示波器負(fù)極接地，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電源輸出端和地端正的輸入電壓，示波器顯示穩(wěn)壓電源輸出電壓信號(hào)。分別將兩個(gè)穩(wěn)壓芯片的輸入端分別接入20V/25V/27V/30V/35V外部電壓，利用示波器測(cè)量此時(shí)輸出電壓。此測(cè)試目的是驗(yàn)證在不同輸入電壓值實(shí)現(xiàn)的電源模塊的穩(wěn)壓精度,以及在額定輸入電壓下二次電源轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓的穩(wěn)定性。分別接入不同輸入電壓值，采集得到相應(yīng)的輸出電壓曲線。此電源可以實(shí)現(xiàn)電源二次電壓值的轉(zhuǎn)換。輸入電壓為27V時(shí)，DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片輸出電路最大輸出電壓分別為5.001V和12.003V。電源輸入電壓在20～35V之間變化時(shí)，測(cè)量輸出端電壓，電路的電壓調(diào)整率均不大于0.2%，當(dāng)輸入電壓變?yōu)?5V時(shí)，輸出電壓最大為12.1V，可看出輸出電壓較穩(wěn)定。

作者：吳彥卓 張洋 單位：92941部隊(duì)