林海青,方文逸,劉樹展
(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海 200233)
船舶自動識別系統(tǒng)(以下簡稱AIS)是一種船舶導(dǎo)航設(shè)備,由主機、顯示終端(KDU)以及船用VHF天線組成,配合全球定位系統(tǒng)(GPS)將航向、航線、航速、航名、吃水、危險貨物等船舶信息向附近水域的船舶及岸臺廣播,同時在電子海圖上可視化顯示附近的船舶信息[1,2]。
考慮到海上無線電信號的發(fā)射接收應(yīng)答,AIS電源對靈敏度、線性度、動態(tài)范圍等指標(biāo)都有較高要求,同時在啟動發(fā)射功能時需要的功率較大,所以在要求電源輸出大電流的同時,對電源的電磁兼容要求比較高。
本文選用雙通道單路可關(guān)斷使能的開關(guān)電源控制器MC34065,選取合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過合理的PCB布局避免兩路輸出互相干擾,使用濾波器過濾紋波,最后進行實驗對該電源性能進行了驗證。
AIS電源的具體技術(shù)指標(biāo)如下:
1)輸入電源:標(biāo)稱值24 V(DC),極端條件下為24 V(DC) +10%/-20%;
2)輸出電源:
輸出電源1: +13 V±0.25 V,紋波≤20 mV,最大負(fù)載電流6 A(發(fā)射時) 5%占空比,最長130 ms;
輸出電源2:+5 V±0.05 V,紋波≤10 mV,最大負(fù)載電流2 A;
3)適應(yīng)環(huán)境:溫度范圍-15 ℃~+55 ℃ (工作狀態(tài)),-55 ℃~+85 ℃ (存儲狀態(tài));
4)具有過流、過壓保護功能。
綜合具體技術(shù)指標(biāo)的要求,5 V回路精度要求高,13 V回路輸出電流大,且紋波要求小。擬采用兩路單獨的PWM反饋方式較為合適,若使用兩路UC3842電源控制集成電路的方式,兩路不同振蕩頻率間的拍頻干擾會使輸出回路的紋波變大,同時也會使電源的電磁兼容EMC劣化。雖然采用兩路UC3842可以外時鐘同步運行方式來解決拍頻干擾的問題,但會使電路設(shè)計變得復(fù)雜,影響可靠性。為此,我們采用同一時鐘頻率下的高性能雙通道電流方式控制器MC34065[3]的設(shè)計。
MC34065是高性能、固定頻率、雙電流模式控制器,是為離線及直流到直流轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而專門設(shè)計的,通過最少的外部元件,提供給設(shè)計者一種經(jīng)濟的實用手段。這些集成電路具有下述特性:適于精確占空比限定及頻率控制的單值振蕩器、溫度補償基準(zhǔn)、兩個高增益誤差放大器、兩個電流傳感比較器、驅(qū)動輸出的激活引腳以及適合于驅(qū)動功率MOSFET的兩個高電流推挽輸出端[4]。另外,本器件保護特性包括:帶滯后的輸入及帶滯后的基準(zhǔn)欠壓鎖定、接周期的限流、以及每個輸出端用于單個脈沖計數(shù)的鎖存器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 MC34065結(jié)構(gòu)框圖
高性能雙通道電流方式控制器MC34065可以看成是由單一頻率下的兩片UC3844電流方式控制器構(gòu)成的。需要指出的是MC34065第14腳驅(qū)動輸出使能,可以控制13 V高功率發(fā)射模塊的供電電路,使AIS電源在系統(tǒng)接收無線信號時關(guān)斷,以減少發(fā)射回路的干擾,同時也降低了電源電路的待機功耗[4]。因此,MC34065是一款特別適合AIS電源控制要求的開關(guān)電源芯片。
(1)正激式變換器
圖2 正激式變換器
正激式變換器如圖2所示,其工作原理如下:當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,初級能量通過變壓器耦合和二極管VD向次級傳遞,同時電感L儲能;開關(guān)管關(guān)斷時,電感L中的能量使續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通,從而向負(fù)載釋放能量[5]。N3通過VD2釋放變壓器磁心中的剩磁能量,防止磁飽和。正激式變換器常用于輸出大電流的場合,但需要較大的儲能電感。
(2)反激式變換器
反激式變換器如圖3所示。反激式變換器的變壓器相當(dāng)于一對相互耦合的儲能電感線圈,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,二極管VD截止,初級線圈N1開始儲能;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,N1使次級線圈N2產(chǎn)生感應(yīng)電壓,使得VD導(dǎo)通,能量向負(fù)載供應(yīng)[5]。反激式變壓器的缺點是,當(dāng)輸出電壓較大時,N1線圈上會根據(jù)變壓器匝比產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而使開關(guān)管承受較大的電壓應(yīng)力。
圖3 反激式變換器
AIS電源主要根據(jù)兩路負(fù)載的具體要求,采用與以往不同的設(shè)計方式,5 V回路功率比較小,采用隔離單端反激式變換電路;13 V功率比較大,無線電信號發(fā)射時電流達(dá)6 A,采用單端正激式變換電路,電源的原理圖如圖4所示。
由于AIS電源的特殊性,對于無線電接收機來說它的紋波要求特別小,所以我們在電源的輸出端采用由兩級差模電容和一級共模電感構(gòu)成的濾波器,進一步降低輸出紋波電壓的同時,又在輸出端加入平衡雙線濾波器(以下簡稱BDL濾波器)[6]。
圖4 原理圖
BDL濾波器是一種采用獨特專利結(jié)構(gòu)設(shè)計的EMC濾波器,擁有全頻段優(yōu)異特性,可代替多種濾波器的解決方案。其器件符號如圖5所示。圖6為BDL濾波器與片式多層陶瓷電容器(MLCC)的濾波效果對比,可見BDL濾波器可以明顯減小紋波。
圖5 BDL濾波器符號
圖6 BDL濾波器濾波效果同MLCC對比
另外,在繪制AIS電源印刷線路板時,嚴(yán)格按照開關(guān)電源的設(shè)計準(zhǔn)則,在放置元器件時充分考慮電磁元件的相互干涉性,輸入輸出工作回路有效面積最小,精心排布將電源輸出紋波降低到最小,以滿足用戶需要,器件排布如圖7所示。
圖7 AIS電源元器件排列圖
制作完成樣機后進行了實驗驗證,開關(guān)管波形如圖8所示,其中CH1(下方)為5 V反激式波形,CH2(上方)為13 V正激式波形。輸出紋波分別如圖9、圖10所示,5 V輸出紋波為5.15 mV,13 V輸出紋波為19.2 mV。
圖8 開關(guān)管波形
圖9 5 V回路紋波
圖10 13 V回路紋波
本文介紹了AIS船載通訊設(shè)備對于電源的EMC和輸出能力的要求,通過橫向?qū)Ρ冗x取了合理的電源拓?fù)?,并通過控制芯片的驅(qū)動控制功能、設(shè)計濾波器、加入BDL濾波器、合理化PCB排布等方式盡可能降低紋波。實驗證明,該電源的性能滿足指標(biāo)要求,具有較好的工程價值。