任务关键型电源启动每次都需要完美的性能

任务关键型、快速启动、隔离式电源系统的设计需要完美无缺。这些系统用于关键任务军事应用，每次都需要在几毫秒内启动。

电子系统中电源的目的是为负载提供稳定的电压和/或电流。关注电力系统在响应快速变化的负载和负载所需的快速变化电压方面的性能。电源系统的输入电压和启动时间考虑得更少，因为通常假设系统的电源始终存在。

但是，有些系统不存在电源，系统必须在施加输入电源后的毫秒 （ms） 内处于活动状态。这些系统通常需要与电源隔离，以保持接地隔离或满足军事规范，例如MIL-STD-704，它定义了军用飞机与其设备之间的标准化电源接口。

例如，在许多导弹发射系统中，目标信息直到发射前片刻才被编程到导弹中。在加载目标信息之前，导弹内需要有几个系统处于活动状态;动力系统只是这些系统中的一个，它需要成为第一个处于活动状态的系统来驱动所有其他系统。因此，电力系统每次都必须正确处理。

设计任务关键型电源系统

在设计隔离式电源系统时，有几个关键需要考虑的领域，这些系统必须在施加输入电压后10 ms内启动。输入dv/dt不应超过功率元件的额定值，输入电容不会导致源元件超过其额定值，并且输出电容值的选择应使系统不会进入电流限制或表现出不稳定。

许多 DC/DC 转换器的输入部分包括一个 LC 滤波器。如果该LC滤波器受到阶跃电压（即向电源系统施加直流电）的冲击，LC滤波器可能会振铃到可能损坏功率组件内部电路的电压电平。最大输入 dv/dt 的常见规格为 10 伏/微秒。闭合过快的机械开关或场效应晶体管 （FET） 很容易超过 10 伏/微秒的上升时间。具有电流限制的输入滤波器可将 DC/DC 转换器的输入保持在输入 dv/dt 规格范围内。

图1显示了电源系统框图，图2显示了典型输入滤波器的内部结构框图。稳压DC/DC转换器的输入通常需要一个输入电容，因为它需要看到低源阻抗并确保转换器在线路和负载变化时的稳定性。该电容器需要缓慢充电，以免超过最大dv/dt，但速度足够快，以帮助实现电源系统不到10 ms的启动时间。从施加系统输入电压开始，图1中的Q1关闭。在欠压导通电平下，图1中的电荷泵/控制模块将开始增强Q1并提高滤波器的输出电压。该输出电压上升被控制为不超过转换器的输入dv/dt，并控制从电源汲取的电流。

图1：电源系统框图

图2：典型输入滤波器的内部工作原理。

电容：快速启动电源的重要因素

为了帮助实现小于10 ms的启动时间，滤波器必须尽可能快地为其输出C充电。在设计快速导通时间时，最好选择该输出电容的最小值。最好在滤波器输出端使用非稳压隔离器，因为这些隔离器几乎不需要输入电容，它们不进行调节，因此不会影响控制环路。一个好的输入滤波器还将包括EMI和瞬态保护，以满足MIL-STD-461标准的EMI和MIL-STD-704和MIL-STD-1275的输入瞬变标准。

如果在滤波器的输出端使用隔离器，并且控制滤波器输出上升时间，则隔离器的输出将被控制。隔离器的输出通过转换器的电压比镜像输入。这将使图1所示的下游稳压器保持在输入dv/dd规格范围内。调节级确实需要输入电容来满足源阻抗要求和稳定性，因此在确定滤波器看到的电容时需要考虑这一点。隔离器将其输出电容反射到其输入端，输入滤波器将看到这一点。

电容反射是隔离器的输出/输入电压比的平方乘以隔离器的输出电容。如果输出/输入电压比为1/2，隔离器的输出电容为47μF，则滤波器的反射电容为1/2的平方，乘以47μF或11.75μF。隔离器的性能在此应用中至关重要。隔离器需要具有非常小的电感作为其动力传动系的一部分。低电感值使电流能够快速从输入流向输出，同时保持固定的输入与输出电压比。一些隔离器的动力传动系内部电感在nH范围内。

输入滤波器还可以防止电源超过其最大额定电流。例如，在热插拔、机械开关或FET开关闭合等高dv/dt事件期间，滤波器将屏蔽任何电容，使其看不到这种高dv/dt。由于电源功能、连接器和通往电源的走线，电源系统电源始终具有最大额定电流。如果这些组件看到更高的电流水平，它们可能会失效或变弱并变成潜在故障。在启动时间小于10 ms的电力系统中，电源的输入电压必须快速上升，因为该时序是10 ms启动的一部分。快速启动到电容将导致高浪涌电流。过滤器有助于减少这种浪涌。许多滤波器的浪涌额定值以每输出μF的安培为单位。如果额定值为 0.007A/μF，而滤波器输出端有 47μF，则浪涌电流为 0.007A*47μF 或 0.329A。

在许多应用中，电源将具有自己的输出电容和负载电容。该电容由转换器的输出电压充电。当设计启动时间小于10 ms时，输出电容两端的输出电压上升不得导致转换器超过其最大电流，从而导致关断或由于电流限制而导致输出电压骤降。如果转换器关闭并重新启动，则启动时间会延长。如果转换器进入电流限制，则输出电压下降，导致上升时间延长和启动周期延长。

考虑到这一点，最好使用尽可能小的输出电容进行设计。对输出电容充电的输出电流由下式确定：I = C* dv/dt，其中I是转换器输出电流，C是输出电容，dv/dt是转换器输出电压上升时间。如果负载在上升期间处于活动状态，则需要将其添加到转换器提供的电流中。在任何一种情况下，电流都不应超过最大电流。如果电流确实超过最大值，则可以添加另一个并联转换器以提高该输出的额定电流。

转换器的输出电容有助于保持转换器输出纹波较低，并有助于转换器在工作期间保持稳定。使用具有高开关频率的转换器将有助于保持较低的输出电容。高开关频率将允许设计使用低电感和电容值，以保持负载的输出纹波低至30 mV。典型开关频率范围为 500 KHz 至 1 MHz。

如图1所示，在设计启动时间小于10 ms的电源系统时，必须有几个组件处于活动状态，并保持在每个组件的功率、电压和电流额定值内。当施加系统输入电压时，滤波器控制器必须唤醒并开始控制滤波器的输出电压，使源电流低于其最大值，并将下游转换器保持在最大输入dv/dt以内。当下游转换器达到其欠压导通电平时，其内部控制器必须唤醒并有效控制其输出电压，为输出电容充电，在许多情况下还要满足负载电流需求。

这些唤醒时间是级联的;生成的唤醒时间必须小于 10 ms。图3显示了配置为启动时间小于10 ms的电源系统的性能。该系统配置了一个隔离器和两个非隔离稳压器。隔离器使系统能够在输入和输出之间具有单独的接地。稳压器启动负载为 25 瓦和 33 瓦，而施加输入电压的启动时间测量约为 4 ms。该系统具有很强的可扩展性，只需并行添加功率组件或使用具有更高功率水平的组件即可。并行添加组件还可以实现冗余操作。

图3：电源系统配置为启动时间小于 10 ms。

当使用正确的组件时，设计启动时间小于10 ms的隔离电源系统是可以实现的，并且是可靠的。高效率和小尺寸使其非常适合许多军事应用。

审核编辑：郭婷