采樣設(shè)備二次電源模塊硬件電路設(shè)計
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1電源轉(zhuǎn)換設(shè)計方案
針對某地面采樣設(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人機母線提供的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
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啟動電壓。該芯片有6個引腳：+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)換成無線數(shù)傳設(shè)備工作所需的+12V電源，該芯片有8個引腳：+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，在滿負載的情況下，為DSP芯片和無線數(shù)傳電臺提供穩(wěn)定的5V和12V電壓。芯片工作時，需要頻繁的使用電源芯片，將會導(dǎo)致電源的開關(guān)效應(yīng)[2]，為此電源模塊設(shè)計去高頻噪聲和濾波。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，將會有效降低電源電路上的開關(guān)噪聲[1]。在每個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)可通過以下式計算C(F)=dIdtdV（1）式中，dV表示在dt時間內(nèi)，由瞬變電流dI造成的電壓瞬間跌落[3]。通常各芯片級單位參數(shù)數(shù)量級單位為：電壓為V，電流為102mA，時間為ms，經(jīng)計算，電容應(yīng)串聯(lián)微法級別的電容為宜。針對紋波噪聲要求不嚴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），針對該系統(tǒng)，一般微法數(shù)量級的電容時間跌落都在微秒級別，這種延遲對系統(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，用于濾除電源串擾的紋波噪聲，保證了輸入輸出電壓的穩(wěn)定性
3PCB設(shè)計
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，使其抗干擾能力更強，各層厚度。以電路板中點為中心，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，可以進一步優(yōu)化電路工作可靠性和信號完整性。過孔為1.27mm/0.7mm（50mil/28mil），安裝孔徑比實際尺寸要大0.2mm，即1.47mm/0.9mm。設(shè)計完畢后利用AltiumDesigner軟件進行PCB板設(shè)計[5]。
4散熱設(shè)計
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，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行物理接觸散熱
5測試結(jié)果分析
由于輸入電壓為高電平，所以測試中將穩(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，示波器負極接地，此時就會產(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。分別將兩個穩(wěn)壓芯片的輸入端分別接入20V/25V/27V/30V/35V外部電壓，利用示波器測量此時輸出電壓。此測試目的是驗證在不同輸入電壓值實現(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。此電源可以實現(xiàn)電源二次電壓值的轉(zhuǎn)換。輸入電壓為27V時，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，測量輸出端電壓，電路的電壓調(diào)整率均不大于0.2%，當輸入電壓變?yōu)?5V時，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