DC/DC變換器隨著技術的發(fā)展不斷進步，與變換器相關的技術也在不斷發(fā)展，這些技術的發(fā)展也在一定程度上影響著變換器的發(fā)展。

例如在上個世紀得到發(fā)展的功率開關器件，功率開關器件的發(fā)展在一定程度上也影響著變換器的發(fā)展。

01. 軟開關技術

開關的一大發(fā)展方向就是高頻化，高頻的開關在日常生活中的使用越來越頻繁。

開關頻率的變高使得電路受到電磁的干擾更強，干擾的增強在一定程度上也影響著電路控制和電路驅動的穩(wěn)定程度。

所以在高頻化的同時也要努力減少開關造成的損耗，軟開關技術的出現(xiàn)在一定程度上解決了這個問題。

軟開關變換器在出現(xiàn)后也經歷了一系列的發(fā)展，在軟開關變換器發(fā)展到現(xiàn)在，軟開關變換器的性能依然依賴于變換器用到的開關器件。

電容比較大并且開關頻率比較高的情況下往往會產生大量的開關損耗，在這種情況下我們可以使用零電壓的開通方式避免大量損耗。

DC/DC變換器使用不同的器件可以獲得不同的性能，同一個電路使用不同器件的情況下性能也是不同的。

所以在選擇器件的同時要結合各個方面的因素，發(fā)揮其優(yōu)點，達到預期的目標。

02. 同步整流

同步整流技術在上個世紀出現(xiàn)，隨著科技、通信和計算機相關行業(yè)的發(fā)展，相關產品中所需要的器件和功耗也在不斷增加。

使用低壓高電流的變換器，在高頻時器件的損耗很大，同步整流技術的出現(xiàn)在一定程度上解決了損耗高的問題，降低了開關的損耗。

同步整流是為了在電路中滿足低壓高電流的要求，在這一要求下通常我們使用MOSFET的門極控制電壓和漏極電壓同步，從而達到低電壓大電流的需求。

同步整流技術已經實現(xiàn)了ZVS和ZCS這兩種方式，這進一步降低了開關的損耗，并且在這方面也有了很大的進步。

其中數(shù)字技術和同步整流技術相結合，并且也開發(fā)出了適用于對稱拓撲的同步整流電路，并且使用復合拓撲的情況下使得同步整流的效果更好。

隨著CMOS器件的普及，許多印制電路板需要+5V和12V或+24V等規(guī)格的直流電壓，這意味著單機需要一個比較集中的電源以滿足工作要求。CMOS器件的特點是僅在開關瞬間需要較大的功率，因此就近放置一個電源比用一個低電壓集中電源長距離供電，可以降低配線電感和電阻所引起的壓降，而分散供電的設計結構正可以滿足這一設計要求。

分散供電設計總的原則簡單明了，但是當電源從集中移到各應用點的時候，從變換器本身產生的傳導和反射紋波需要測量和控制，系統(tǒng)各單機電磁兼容性問題在設計中也必須解決。

目前，DC/DC變換器在衛(wèi)星等航天工程項目電源系統(tǒng)設計中的使用已經非常普遍，其可以不受輸入電壓和負載波動的影響而提供穩(wěn)定的輸出電壓。同時，DC/DC變換器在變換過程中使用了變壓器進行電隔離，可以保護整個系統(tǒng)免受隔離故障的影響。

本文所述電路就是基于INTERPOINT公司生產的DC/DC變換器和濾波器進行設計的一種用于航天器的二次電源系統(tǒng)。

電路設計

對于一個確定的工程系統(tǒng)，如果其電路中包含CMOS器件、運算放大器和電機驅動電路等部分，則+5V、12V和+24V電源一般來說是必須的。本設計基于INTERPOINT公司生產的DC/DC變換器和濾波器(見圖1)。

開關電源變換器是窄帶頻譜輸入噪聲電流的天然發(fā)生器，具有開關頻率基波分量及其高次諧波分量。大部分INTERPOINT電源變換器內部都具有一級LC 輸入線濾波器，將噪聲成分減低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪聲電流或者要求滿足GJB151.3-86或其他EMI規(guī)范時，還需要附加外部電源線濾波器。只要不超過濾波器的額定線電流和布局不受限制，多個電源變換器可以共用一個濾波器。圖1所示電路中的DC/DC變換器分別為MSA2805S和MSA2812D，三個DC/DC變換器共用一個FMH461濾波器。

圖1中，L1*A、L1*B和L1*C為一個三繞組電感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分別為兩繞組電感。FUSE1和FUSE2為保險絲。

1 電源輸入電路分析

在一次電源輸入的+28V線上，增加了兩個保險絲作為短路保護元件，在保證降額設計(如50%余量)的要求下，其熔值可視二次電源負載而定，如3A或5A。其中一個保險絲和電阻1R3串聯(lián)，1R3阻值取0.15Ω，則兩個保險絲為冗余設計。當負載異常而導致瞬間電流過大時，由于電流是從FUSE1保險絲流過，故FUSE1熔斷。異常情況消失后，F(xiàn)USE2仍然可以保證系統(tǒng)的正常工作。

2 電源輸出電路分析

為了得到+5V、12V和+24V電源，電路中選用了MSA2805S和MSA2812D兩種DC/DC變換器。在獲取需要電源的同時，還需要注意噪聲的濾除。

共模噪聲主要是因為電感繞組間存在電容、電源器件內部存在寄生電容等原因而產生的。

各DC/DC變換器的輸入回線上分別加旁路電容到DC/DC變換器外殼地，以濾除共模噪聲。輸入旁路電容可將機殼上的共模電流引回到輸入回線上，減小輻射。

各DC/DC變換器的電源輸出端，分別加了電感、旁路電容和極間電容，以濾除輸出線對上的差模噪聲和共模噪聲。各電感的繞組的匝數(shù)和漏感分別相等，磁環(huán)為鐵氧體軟磁性材料。

3 電磁兼容性分析

+28V輸入電源和DC/DC變換器之間通過FMH-461隔離，F(xiàn)MH-461是INTERPOINT公司生產的電磁干擾(EMI)濾波器，可以減小DC/DC變換器產生的高頻反射紋波電流對公用輸入母線+28V電源線的干擾，對電源線傳導發(fā)射和電場輻射發(fā)射有效。同時，為減小電磁干擾，濾波器的外殼地必須與DC/DC變換器的外殼地低阻導通。圖1所示電路中，直接將DC/DC變換器和濾波器的外殼短接。

衛(wèi)星用DC/DC變換器的高可靠和長壽命，是確保其完成飛行使命的基本條件之一。但人們對DC/DC變換器可靠性的認識通常集中在元器件固有質量或產品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統(tǒng)設計(包括技術方案和電路拓撲設計、輸入/輸出接口設計、環(huán)境試驗條件適應性設計等)缺陷和電壓、電流和溫度應力對可靠性的影響。

據美國海軍、電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現(xiàn)故障的原因和各自的百分比如表1所示。

日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題的80%來源于設計方面(日本把元器件的選型和質量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設計上的原因)。國產星用DC/DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現(xiàn)失效現(xiàn)象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設計缺陷。

以上統(tǒng)計數(shù)據表明，控制和減少由于技術方案選擇、電路拓撲設計以及元器件使用設計原因所造成的DC/DC變換器故障，具有重要意義。

DC/DC變換器供電方式的選擇

DC/DC變換器供電方式的不同，對整個供電系統(tǒng)的可靠性有重大影響。衛(wèi)星用DC/DC變換器的配電系統(tǒng)一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。

集中式供電的優(yōu)點是DC/DC變換器數(shù)量少，有利于控制和減少電源的體積和重量，同時簡化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復布線。缺點是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負載的要求。

分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點是DC/DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時提高了動態(tài)響應特性，這是解決低壓大電流(如2V/20A)問題的必須和唯一技術途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔給多個、電源模塊來承擔。

從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC/DC變換器屬于可靠性并聯(lián)系統(tǒng)，容易組成N+1冗余供電，擴展功率也相對容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產品的可靠性方案設計要求。目前，國產衛(wèi)星DC/DC變換器拓撲結構，基本上實現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個結構模塊電源的集中供電方式，過渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產品的分布式供電。

因此綜合考慮用電系統(tǒng)的具體需求，選擇合理的供電方式對提高DC/DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關重要的意義。

電路拓撲的選擇與設計

可供衛(wèi)星DC/DC變換器功率變換選用的基本電路拓撲有8種，分別是單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式、雙正激式、雙管正激式、半橋式、全橋式。

前6種拓撲功率開關管在關閉時要承受2倍輸入電壓。考慮到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有一定的安全余度，功率開關管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線電壓+42V時，功率管的漏源電壓應該為200V。

推挽和全橋拓撲有可能出現(xiàn)單向磁偏飽和現(xiàn)象，主要是兩路功率開關輪流導通時不完全對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，一只功率管會首先損壞。近年來，在國外對推挽拓撲的單向磁偏所進行的專題研究中，發(fā)現(xiàn)功率開關采用性能參數(shù)一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現(xiàn)象。原因是MOSFET的導通損耗具有正溫度特性，可實現(xiàn)自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值性。這些結論，我們已經在多顆衛(wèi)星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說只要實施有效的可靠性技術措施，推挽拓撲的大電流、高效率、高可靠優(yōu)勢會充份地發(fā)揮出來。

理論分析和實踐結果表明，半橋拓撲具有自動抗不平衡的能力。一般認為，500W以下，雙管正激和半橋拓撲具有較高的安全性和可靠性。

單端反激拓撲不適用于負載電流大范圍變化的情況，空載時的輸出電壓也會明顯增高。目前，國內外廣泛采用外接電阻負載克服空載失控現(xiàn)象，但這會降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關系，因此，單端反激拓撲只適用于輸出功率較小的場合。

失效模式及影響分析(FMEA)

失效模式及影響分析是指，在產品設計過程中，對組成產品的所有部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進行分析，并規(guī)劃糾正措施。

元器件的故障模式參照GJB電子設備可靠性預計手冊。分析中不考慮無關的雙重故障，但考慮單一故障引起的連鎖影響，即二次故障。

由于航天器DC/DC變換器的高可靠要求，供電系統(tǒng)不允許單點故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設計。但不是說考慮了備份冗余以后，進行FMEA的結果就不存在單點故障。因為，往往表面上看不是單點故障的失效模式，深入分析后就會發(fā)現(xiàn)由于共陰模式的存在而導致單點失效。