電子系統(tǒng)中電源的目的是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓和/或電流。關(guān)注電力系統(tǒng)在響應(yīng)快速變化的負(fù)載和負(fù)載所需的快速變化電壓方面的性能。電源系統(tǒng)的輸入電壓和啟動(dòng)時(shí)間考慮得更少，因?yàn)橥ǔ＜僭O(shè)系統(tǒng)的電源始終存在。

但是，有些系統(tǒng)不存在電源，系統(tǒng)必須在施加輸入電源后的毫秒 （ms） 內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)。這些系統(tǒng)通常需要與電源隔離，以保持接地隔離或滿足軍事規(guī)范，例如MIL-STD-704，它定義了軍用飛機(jī)與其設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)化電源接口。

例如，在許多導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)中，目標(biāo)信息直到發(fā)射前片刻才被編程到導(dǎo)彈中。在加載目標(biāo)信息之前，導(dǎo)彈內(nèi)需要有幾個(gè)系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài);動(dòng)力系統(tǒng)只是這些系統(tǒng)中的一個(gè)，它需要成為第一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)的系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所有其他系統(tǒng)。因此，電力系統(tǒng)每次都必須正確處理。

設(shè)計(jì)任務(wù)關(guān)鍵型電源系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)隔離式電源系統(tǒng)時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵需要考慮的領(lǐng)域，這些系統(tǒng)必須在施加輸入電壓后10 ms內(nèi)啟動(dòng)。輸入dv/dt不應(yīng)超過(guò)功率元件的額定值，輸入電容不會(huì)導(dǎo)致源元件超過(guò)其額定值，并且輸出電容值的選擇應(yīng)使系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入電流限制或表現(xiàn)出不穩(wěn)定。

許多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入部分包括一個(gè) LC 濾波器。如果該LC濾波器受到階躍電壓（即向電源系統(tǒng)施加直流電）的沖擊，LC濾波器可能會(huì)振鈴到可能損壞功率組件內(nèi)部電路的電壓電平。最大輸入 dv/dt 的常見(jiàn)規(guī)格為 10 伏/微秒。閉合過(guò)快的機(jī)械開關(guān)或場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 很容易超過(guò) 10 伏/微秒的上升時(shí)間。具有電流限制的輸入濾波器可將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入保持在輸入 dv/dt 規(guī)格范圍內(nèi)。

圖1顯示了電源系統(tǒng)框圖，圖2顯示了典型輸入濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入通常需要一個(gè)輸入電容，因?yàn)樗枰吹降驮醋杩共⒋_保轉(zhuǎn)換器在線路和負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性。該電容器需要緩慢充電，以免超過(guò)最大dv/dt，但速度足夠快，以幫助實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)不到10 ms的啟動(dòng)時(shí)間。從施加系統(tǒng)輸入電壓開始，圖1中的Q1關(guān)閉。在欠壓導(dǎo)通電平下，圖1中的電荷泵/控制模塊將開始增強(qiáng)Q1并提高濾波器的輸出電壓。該輸出電壓上升被控制為不超過(guò)轉(zhuǎn)換器的輸入dv/dt，并控制從電源汲取的電流。

圖1：電源系統(tǒng)框圖

圖2：典型輸入濾波器的內(nèi)部工作原理。

電容：快速啟動(dòng)電源的重要因素

為了幫助實(shí)現(xiàn)小于10 ms的啟動(dòng)時(shí)間，濾波器必須盡可能快地為其輸出C充電。在設(shè)計(jì)快速導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，最好選擇該輸出電容的最小值。最好在濾波器輸出端使用非穩(wěn)壓隔離器，因?yàn)檫@些隔離器幾乎不需要輸入電容，它們不進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此不會(huì)影響控制環(huán)路。一個(gè)好的輸入濾波器還將包括EMI和瞬態(tài)保護(hù)，以滿足MIL-STD-461標(biāo)準(zhǔn)的EMI和MIL-STD-704和MIL-STD-1275的輸入瞬變標(biāo)準(zhǔn)。

如果在濾波器的輸出端使用隔離器，并且控制濾波器輸出上升時(shí)間，則隔離器的輸出將被控制。隔離器的輸出通過(guò)轉(zhuǎn)換器的電壓比鏡像輸入。這將使圖1所示的下游穩(wěn)壓器保持在輸入dv/dd規(guī)格范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)級(jí)確實(shí)需要輸入電容來(lái)滿足源阻抗要求和穩(wěn)定性，因此在確定濾波器看到的電容時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。隔離器將其輸出電容反射到其輸入端，輸入濾波器將看到這一點(diǎn)。

電容反射是隔離器的輸出/輸入電壓比的平方乘以隔離器的輸出電容。如果輸出/輸入電壓比為1/2，隔離器的輸出電容為47μF，則濾波器的反射電容為1/2的平方，乘以47μF或11.75μF。隔離器的性能在此應(yīng)用中至關(guān)重要。隔離器需要具有非常小的電感作為其動(dòng)力傳動(dòng)系的一部分。低電感值使電流能夠快速?gòu)妮斎肓飨蜉敵?，同時(shí)保持固定的輸入與輸出電壓比。一些隔離器的動(dòng)力傳動(dòng)系內(nèi)部電感在nH范圍內(nèi)。

輸入濾波器還可以防止電源超過(guò)其最大額定電流。例如，在熱插拔、機(jī)械開關(guān)或FET開關(guān)閉合等高dv/dt事件期間，濾波器將屏蔽任何電容，使其看不到這種高dv/dt。由于電源功能、連接器和通往電源的走線，電源系統(tǒng)電源始終具有最大額定電流。如果這些組件看到更高的電流水平，它們可能會(huì)失效或變?nèi)醪⒆兂蓾撛诠收稀Ｔ趩?dòng)時(shí)間小于10 ms的電力系統(tǒng)中，電源的輸入電壓必須快速上升，因?yàn)樵摃r(shí)序是10 ms啟動(dòng)的一部分。快速啟動(dòng)到電容將導(dǎo)致高浪涌電流。過(guò)濾器有助于減少這種浪涌。許多濾波器的浪涌額定值以每輸出μF的安培為單位。如果額定值為 0.007A/μF，而濾波器輸出端有 47μF，則浪涌電流為 0.007A*47μF 或 0.329A。

在許多應(yīng)用中，電源將具有自己的輸出電容和負(fù)載電容。該電容由轉(zhuǎn)換器的輸出電壓充電。當(dāng)設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間小于10 ms時(shí)，輸出電容兩端的輸出電壓上升不得導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器超過(guò)其最大電流，從而導(dǎo)致關(guān)斷或由于電流限制而導(dǎo)致輸出電壓驟降。如果轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并重新啟動(dòng)，則啟動(dòng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。如果轉(zhuǎn)換器進(jìn)入電流限制，則輸出電壓下降，導(dǎo)致上升時(shí)間延長(zhǎng)和啟動(dòng)周期延長(zhǎng)。

考慮到這一點(diǎn)，最好使用盡可能小的輸出電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)輸出電容充電的輸出電流由下式確定：I = C* dv/dt，其中I是轉(zhuǎn)換器輸出電流，C是輸出電容，dv/dt是轉(zhuǎn)換器輸出電壓上升時(shí)間。如果負(fù)載在上升期間處于活動(dòng)狀態(tài)，則需要將其添加到轉(zhuǎn)換器提供的電流中。在任何一種情況下，電流都不應(yīng)超過(guò)最大電流。如果電流確實(shí)超過(guò)最大值，則可以添加另一個(gè)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器以提高該輸出的額定電流。

轉(zhuǎn)換器的輸出電容有助于保持轉(zhuǎn)換器輸出紋波較低，并有助于轉(zhuǎn)換器在工作期間保持穩(wěn)定。使用具有高開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器將有助于保持較低的輸出電容。高開關(guān)頻率將允許設(shè)計(jì)使用低電感和電容值，以保持負(fù)載的輸出紋波低至30 mV。典型開關(guān)頻率范圍為 500 KHz 至 1 MHz。

如圖1所示，在設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間小于10 ms的電源系統(tǒng)時(shí)，必須有幾個(gè)組件處于活動(dòng)狀態(tài)，并保持在每個(gè)組件的功率、電壓和電流額定值內(nèi)。當(dāng)施加系統(tǒng)輸入電壓時(shí)，濾波器控制器必須喚醒并開始控制濾波器的輸出電壓，使源電流低于其最大值，并將下游轉(zhuǎn)換器保持在最大輸入dv/dt以內(nèi)。當(dāng)下游轉(zhuǎn)換器達(dá)到其欠壓導(dǎo)通電平時(shí)，其內(nèi)部控制器必須喚醒并有效控制其輸出電壓，為輸出電容充電，在許多情況下還要滿足負(fù)載電流需求。

這些喚醒時(shí)間是級(jí)聯(lián)的;生成的喚醒時(shí)間必須小于 10 ms。圖3顯示了配置為啟動(dòng)時(shí)間小于10 ms的電源系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)配置了一個(gè)隔離器和兩個(gè)非隔離穩(wěn)壓器。隔離器使系統(tǒng)能夠在輸入和輸出之間具有單獨(dú)的接地。穩(wěn)壓器啟動(dòng)負(fù)載為 25 瓦和 33 瓦，而施加輸入電壓的啟動(dòng)時(shí)間測(cè)量約為 4 ms。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，只需并行添加功率組件或使用具有更高功率水平的組件即可。并行添加組件還可以實(shí)現(xiàn)冗余操作。

圖3：電源系統(tǒng)配置為啟動(dòng)時(shí)間小于 10 ms。

當(dāng)使用正確的組件時(shí)，設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間小于10 ms的隔離電源系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的，并且是可靠的。高效率和小尺寸使其非常適合許多軍事應(yīng)用。

審核編輯：郭婷