采样设备二次电源模块硬件电路设计

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1电源转换设计方案

针对某地面采样设备中所需电压与外部供电电压不匹配的问题，采用DC-DC电压转换芯片将外部二次电源进行转换。二次电源转换是指将外部电源电压转换为地面采集设备电压，直接提供给该采集设备中的DSP芯片以及无线通信设备使用。电源转换是变流系统（变频器、逆变器、UPS、有源滤波器等）工作的桥梁纽带。外部电压源一般为无人机母线提供的27V电压，通过线缆连接在地面采集设备上。经电压转换芯片进行电压中间转换后，降压至5V/12V。转换后的5V电压提供给采集模块，12V电压提供给无线传输模块。由于传输距离较短，在传输距离上可忽略传输压降问题。

2硬件电路原理图设计

二次电源转换模块由两部分组成，一部分为27V转5V芯片；另外一部分是27V转换12V芯片。电压转换芯片选用新雷能公司电源模块DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片，可将27V电压分别转换成5V/12V的工作电压。该芯片广泛应用于通信网络设备、工控设备、仪器仪表、各类集成电路（DSP、FPGA、ASIC）供电应用。DPBL16-W24S5芯片将外部27V电源转换成DSP电路工作的5V启动电压。该芯片有6个引脚：+Vin引脚连接27V外部电压，-Vin、GND引脚连接数字地，REM为基准电压源，NP引脚悬空。经电源模块降压后，引脚Vo1输出5V工作电压。DPE75-24S12芯片将外部27V电源转换成无线数传设备工作所需的+12V电源，该芯片有8个引脚：+Vin引脚连接27V外部电压，-Vin、GND、-S引脚连接数字地，REM为基准电压源，引脚Vo1输出12V工作电压。二次电源转换模块在模块芯片的控制下，在满负载的情况下，为DSP芯片和无线数传电台提供稳定的5V和12V电压。芯片工作时，需要频繁的使用电源芯片，将会导致电源的开关效应[2]，为此电源模块设计去高频噪声和滤波。在芯片的电源输出端并联330μF的电解电容，能够起到蓄能、去噪声的作用，将会有效降低电源电路上的开关噪声[1]。在每个元器件电源输人端和地之间都需要安装去耦电容。去耦电容应尽可能靠近电源引脚安装，以更好的滤除集成电路开关噪声。去耦电容可以为集成电路进行蓄能，也可以旁路掉该器件的高频噪声。电容太大不能保证电容提供髙频电流的能力，电容过小又不能有效消除电源线上的噪声。通常电容容量C(F)可通过以下式计算C(F)=dIdtdV（1）式中，dV表示在dt时间内，由瞬变电流dI造成的电压瞬间跌落[3]。通常各芯片级单位参数数量级单位为：电压为V，电流为102mA，时间为ms，经计算，电容应串联微法级别的电容为宜。针对纹波噪声要求不严格的芯片电路中的去耦电容也可选用典型的去耦方案，即电压转换芯片的输入和输出端均并联0.1μF和10μF电容。根据式（1），针对该系统，一般微法数量级的电容时间跌落都在微秒级别，这种延迟对系统影响基本不大，用于滤除高频噪声。0.1μF的陶瓷电容用作去耦电容，10μF的钽电容用作低频滤波。这两种电容都有较低的ESR和ESL[4]，电路产生纹波噪声较小，对电路性能影响不大，二次转换电源模块电路原理。两组芯片输入输出端均连接两组滤波电容，用于滤除电源串扰的纹波噪声，保证了输入输出电压的稳定性

3PCB设计

二次电源电路板选用4层板，采用TOP-POW⁃ER-GND-BOTTOM的层次设计，使其抗干扰能力更强，各层厚度。以电路板中点为中心，将两芯片与330μF的电容均衡布设在电路板上，在各层上进行布线，电源线做到20mil的线宽。将元器件接口布设的距离串口近些，尽量减少走线的距离。焊盘印制板导电层铜皮厚均为70μm，而常用的铜皮厚度为35μm。更厚的敷铜提高了电流承载能力，减小了电路阻抗，可以进一步优化电路工作可靠性和信号完整性。过孔为1.27mm/0.7mm（50mil/28mil），安装孔径比实际尺寸要大0.2mm，即1.47mm/0.9mm。设计完毕后利用AltiumDesigner软件进行PCB板设计[5]。

4散热设计

电源模块考虑其芯片发热特性，在该转换模块外部壳体采用紧贴式散热设计，将电源模块芯片与外部壳体物理贴紧，有利于电源散热，以提高电源使用寿命。具体设计为材质采用不锈钢材，导热性能较好。二次电源转换电路板外壳处设置两处“回形”凸起5mm，使其与电源模块芯片进行物理接触散热

5测试结果分析

由于输入电压为高电平，所以测试中将稳压电源的输入端接在外部电源端，稳压电源输出端接在示波器的输入端，示波器负极接地，此时就会产生电源输出端和地端正的输入电压，示波器显示稳压电源输出电压信号。分别将两个稳压芯片的输入端分别接入20V/25V/27V/30V/35V外部电压，利用示波器测量此时输出电压。此测试目的是验证在不同输入电压值实现的电源模块的稳压精度,以及在额定输入电压下二次电源转换模块输出电压的稳定性。分别接入不同输入电压值，采集得到相应的输出电压曲线。此电源可以实现电源二次电压值的转换。输入电压为27V时，DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片输出电路最大输出电压分别为5.001V和12.003V。电源输入电压在20～35V之间变化时，测量输出端电压，电路的电压调整率均不大于0.2%，当输入电压变为35V时，输出电压最大为12.1V，可看出输出电压较稳定。

作者：吴彦卓 张洋 单位：92941部队