CN103619145A

CN103619145A - 一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台

Info

Publication number: CN103619145A
Application number: CN201310633298.5A
Authority: CN
Inventors: 李文彬; 张霞; 王飞飞; 王婧琼; 考书魁
Original assignee: 513 Research Institute of 5th Academy of CASC
Current assignee: 513 Research Institute of 5th Academy of CASC
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103619145B

Abstract

本发明公开了一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台，包括：多个功能模块、遥控遥测刚挠印制板、主误放大器EMA模块、整机母线汇流条、上盖板、后盖板和侧盖板；所述功能模块包括三类，分别是充放电调节模块、分流调节模块和遥控遥测模块；充放电调节模块和分流调节模块的数量根据功率设计目标选取；每个功能模块的主体结构均为整体掏空的五面体结构；各功能模块竖直放置并叠放在一起后安装侧盖板，功能模块间通过凸起的耳片相互连接；功能模块顶部的型腔内安装遥控遥测刚挠印制板，后面的两个型腔内分别安装EMA模块和整机母线汇流条。功能模块内部采用分层式立体化布局。本发明能够满足星载电子设备环境试验要求，满足整机的散热需求。

Description

一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台

技术领域

本发明涉及星载电子产品结构设计技术领域，具体涉及一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台。

背景技术

电源控制器（PCU：Power Conditioning Unit）是卫星电源系统的核心设备，其由若干个充放电调节（BCDR）模块、分流调节（S3R）模块、遥控遥测（TMTC）模块构成，起着调节太阳电池、蓄电池和负载之间功率平衡的作用。承担着为卫星提供稳定一次母线、为蓄电池提供充放电管理功能的重要任务，是卫星全寿命周期内稳定运行的重要保障。因此需要研制一种星上大功率电源控制器。

针对星上大功率电源控制器的自身特点，对星上电子设备的结构设计提出了新的要求：

1）大功率电源控制器设备体积大，重量大，因此结构设计必须能满足星上设备的力学性能指标。

2）大功率电源控制器对外输出功率6000W,自身最大热耗360W，结构设备必须能解决设备发热器件的散热问题。

3）大功率电源控制器为星上关键供配电设备，其各个功能模块内部以及功能模块之间都有很多大电流需要传输，结构设备必须能满足大电流低热耗传输的性能。

4）电源控制器内部空间非常紧张，并且有很多大质量大体积器件，结构设计必须有效的利用内部空间，实现模块内部的立体化布局。

5）结构设计能够为各个模块提供遥控遥测信号传输路径。

6）结构设计能够为独立于各个功能模块外的主误放大器(MEA)模块提供安装空间，并为MEA电路板和其余各个模块的信息传递提供路径。

7）整机必须有良好的电磁屏蔽性能，各个模块之间电信号也要彼此屏蔽。

8）充放电模块（BCDR模块）、分流调节模块（S3R）设计成标准模块，可以通过改变两种模块的数量，配置成不同功率电源控制器。

发明内容

有鉴于此，为了达到上述要求，本发明基于模块化结构设计，提供了一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台。

一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台，包括：多个功能模块、遥控遥测刚挠印制板、主误放大器EMA模块、整机母线汇流条、上盖板、后盖板和侧盖板；所述功能模块包括三类，分别是充放电调节模块、分流调节模块和遥控遥测模块；充放电调节模块和分流调节模块的数量根据功率设计目标选取；

每个功能模块的主体结构均为整体掏空的五面体结构，其具有前、后、顶、底四个小面和一个大侧面；各功能模块竖直放置并叠放在一起后安装侧盖板，功能模块间通过凸起的耳片相互连接；

每个功能模块底面两端具有凸耳，凸耳上设有与卫星舱板固定的安装孔；除遥控遥测模块外，每个功能模块的底面开设用于与卫星舱板固定的反穿孔；

功能模块顶部设有安装遥控遥测刚挠印制板的型腔，遥控遥测刚挠印制板通过接插件与功能模块中的电路板连接，从而将各个功能模块连接起来，用来传输遥控遥测信号；遥控遥测刚挠印制板上覆盖上盖板；

功能模块的后面设置两个型腔；上半部型腔（17）用于安装EMA模块，EMA模块由MEA印制板和MEA刚挠印制板组成，MEA印制板装在后盖板上，后盖板安装于功能模块的后方，MEA刚挠印制板安装在上半部型腔中预留的台阶面上，MEA印制板、MEA刚挠印制板和功能模块中的电路通过接插件连接，用于传输MEA模块与功能模块之间的控制信号；下半部分型腔用于安装整机母线汇流条，整机母线汇流条和各个功能模块中的内部汇流条通过压接方式连接，用来传输整机各个功能模块间的大电流；不同功能模块上所设置的三处型腔位置相同；

功能模块内部采用分层式立体化布局，功能模块的大侧面和功能模块中的印制板均可以布置器件，大侧面和印制板以器件相对的方式叠放，且两层器件中高度较大的器件彼此交错分布；大功率器件根据热耗大小，直接贴壳安装在功能模块内部，功能模块底面为散热面，器件热耗越大，靠近底面越近；功能模块内设计内部汇流条，用于传输模块内部大电流，并与整机母线汇流条连接；

功能模块的前面设有功能模块与外部连接的对外接插件。

优选地，遥控遥测刚挠印制板和MEA刚挠印制板均由挠性印制板和刚性印制板组成，挠性印制板从双层结构的刚性印制板中间穿过；刚性印制板上焊接接插件，用于与功能模块相连；相邻两刚性印制板之间挠性印制板的预留长度大于功能模块的中心间距。

优选地，一个电源控制器中至少配置两个遥控遥测模块作为主备份，且这两个遥控遥测模块布置在所有功能模块中间位置。

优选地，功能模块中设置有大电感安装盒，将大电感封装在所述大电感安装盒内部。

优选地，功能模块的底面设有陶瓷基板，器件通过陶瓷基板散热；陶瓷基板包括与底面接触的铝基碳化硅层，以及铝基碳化硅层上的Al₂O₃层；Al₂O₃层上焊接器件。

优选地，内部汇流条上加工出插子，插子上有焊接孔，功能模块中的大功率器件通过导线焊接插子；内部汇流条的一端伸出到下半部分型腔中，压铆螺钉穿过内部汇流条的伸出部位压接在金属压板上；压铆螺钉进一步穿过整机母线汇流条由螺母锁紧。

优选地，在空间较小的地方，内部汇流条上下叠放，叠放的内部汇流条间设有绝缘垫。

优选地，功能模块之间的搭接处留有止口，且做导电氧化处理。

优选地，功能模块内部没有安装器件的内表面做黑色阳极化处理，且器件与功能模块内表面接触的部位涂导热填料。

本发明的有益效果是：

1）采用此种结构形式的大功率电源控制器力学条件良好，能够满足星载电子设备环境试验要求。

2）大功率器件通过直接贴壳安装，大电感封装载电感壳内，采用设计陶瓷基片等方案，满足了整机的散热需求。

3）通过模块内部和模块之间大量汇流条的应用，在一较佳实施例中，内部汇流条上设有插子，电路板上的大电流元件通过导线接在插子上，实现了大功率电源控制器内部大电流的低功耗传输。

4）采用“C”型模块设计，不但为大质量器件提供了足够的安装空间，而且易于实现模块内部立体化布局。

5）功能模块顶面设计型槽，便于遥控遥测刚挠印制板的安置，为遥控遥测信号提供传输路径。

6）功能模块后面设计型槽，便于MEA模块的安置，为控制信息传递提供路径。

7）功能模块之间具有大侧面相隔，从而实现模块间电信号的屏蔽。功能模块搭接处都留有止口，使功能模块和功能模块紧密结合在一起，不留缝隙，且搭接处作导电阳极化处理，保证了整机的电磁屏蔽性。

8）BCDR模块和S3R模块设计成标准模块，通过改变两种模块的数量，可以配置成不同功率的PCU，具有良好的可扩展性。

附图说明

图1为电源控制器整体外形的左前方视图；

图2为电源控制器整体外形的右后方视图；

图3为电源控制器的拆分图；

图4为电源控制器底面安装孔和反穿孔示意图；

图5为BCDR模块带有上层印制板的视图；

图6为BCDR模块中拆除上层印制板露出下层电路的视图；

图7为BCDR模块拆除了内部器件只保留主框架的视图；

图8(a)和图8(b)为两种功能模块的内部汇流条局部图;

图9为刚挠印制板的组成局部图；

图10(a)为遥控遥测刚挠印制板与功能模块连接的原理图；

图10(b)为MEA模块与功能模块连接的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例对本发明进行详细描述。

参见图1、图2和图3，本发明的星载大功率电源控制器可扩展结构平台包括多个功能模块、遥控遥测刚挠印制板1、主误放大器EMA模块、整机母线汇流条4、上盖板5、后盖板6和侧盖板7。其中，功能模块包括三类，分别是充放电调节（BCDR）模块8、分流调节（S3R）模块9和遥控遥测（TM/TC）模块10。

图1为电源控制器的整体外形图，其是左前方视图，图2为电源控制器去除上盖板和后盖板的右后方视图，图3为电源控制器的拆分图。各功能模块竖直放置并叠放在一起，功能模块上底面提供遥控遥测刚挠印制板1的安装槽，后底面提供EMA模块的安装槽，遥控遥测刚挠印制板1安装到位后，铺设上盖板5，EMA模块安装到位后铺设后盖板6。

每个模块的主体结构均为整体掏空的五面体结构，其具有前、后、顶、底四个小面和一个大侧面，形成有如英文字母C的截面形状，单个模块的厚度均为40mm。因此各功能模块竖直放置并叠放在一起后，需要安装一个侧盖板以实现电路的封闭。由于本实施例中功能模块具有左侧面，则叠放后需要安装一个右盖板以实现电路的封闭。模块间通过大侧面彼此屏蔽，避免了模块之间信号的干扰。

如图1所示，本实施例的星载大功率电源控制器具有12个功能模块，包括2个TM/TC模块，6个BCDR模块和4个S3R模块。2个TM/TC模块为主备份关系，由于每个模块都要与TM/TC模块通信，因此两个TM/TC模块设置在众多功能模块中间，这样可以缩短通信路程。BCDR模块和S3R模块交替排列，即模块排列顺序为从左到右依次为BCDR模块、S3R模块、BCDR模块、S3R模块、BCDRA模块、TM/TC模块、TM/TC模块、BCDR模块、S3R模块、BCDR模块、S3R模块、BCDR模块。BCDR模块和S3R模块设计为标准模块，在实际中，根据所需功率的大小来选择BCDR模块和S3R模块的数量。

下面结合图5～图7示出的BCDR模块具体说明功能模块的结构。其中，图5为BCDR模块中带有上层印制板的视图，图6为BCDR模块中拆除上层印制板露出下层电路的视图，图7为BCDR模块拆除了内部器件只保留主框架的视图。如图所示，功能模块间通过凸起的耳片11相互连接。本实施例中，相邻功能模块间通过8个凸起的耳片互相连接，每个耳片上开φ4.5孔，通过M4×12螺钉拧紧固定，整机的上盖板和后盖板和每个功能模块都通过5个M3×6螺钉固定，对模块间的连接起到了有效的加强，从而使模块间的连接强度达到了整机力学环境的要求。功能模块搭接处都留有止口，使功能模块和功能模块紧密结合在一起，不留缝隙，且搭接处作导电阳极化处理，保证了整机的电磁屏蔽性。

为加强设备和星体连接强度，除TM/TC模块12外，每个功能模块的底面具有用于与卫星舱板固定的反穿孔13。每个功能模块底面两端具有凸耳14，凸耳上设有与卫星舱板固定的安装孔15。本实施例中，每侧凸耳有1个φ4.5×5.5安装孔，设备两侧凸耳共24个φ4.5×5.5的安装孔。每个模块底面设计2个M4深6mm的反穿孔，整机共有20个M4的反穿孔，可从整星舱板用螺钉反穿到设备底面。设备整体共44个安装点，如图4所示，不但保证了设备连接件在力学分析和环境试验过程中满足力学性能要求，而且保证了设备散热面和为卫星舱板之间的良好贴合。

对外输入输出的对外接插件25均装在功能模块的前面，设备共有38个对外接插件，用于设备对外输入和输出。

功能模块上设计了3处型腔，不同功能模块上所设置的三处型腔位置相同。

功能模块顶部设置安装遥控遥测刚挠印制板的型腔16，功能模块叠放后，该型腔16组成了遥控遥测刚挠印制板1的安装槽，遥控遥测刚挠印制板1通过接插件与功能模块中的电路板连接，从而将各个功能模块连接起来，用来传输遥控遥测信号，原理图如图10(a)所示。遥控遥测刚挠印制板1上覆盖上盖板5。如图9所示，遥控遥测刚挠印制板1由挠性印制板31和刚性印制板32组成，挠性印制板31又称柔性印制板，其从双层结构的刚性印制板32中间穿过，挠性印制板31具备长度可调节特性，保证了刚挠印制板32能够顺利的和12个模块实现装联，刚性印制板32上焊接插件33。刚挠印制板32的个数与功能模块个数相同。其中，挠性印制板31具备挠性部分长度可调节特性是通过令两刚性印制板33之间挠性印制板31的预留长度大于功能模块中心间距实现的，从而使得安装后刚性印制板32之间的挠性印制板31呈现一定的弧度。

功能模块的后面设置两个型腔17、18，具体见图2和图5，上半部型腔17，用来安装主误放大器(MEA)模块，功能模块叠放后，该型腔17组成了MEA模块的安装槽。主误放大器(MEA)模块包括1块MEA印制板2和1块MEA刚挠印制板3，从图2中可以看到，MEA刚挠印制板3装在上半部型腔17中预留的台阶面上，MEA刚挠印制板3与MEA印制板2以及功能模块中的电路通过接插件连接，用来传输印制板模块和各个功能模块之间的控制信号，原理图如图10(b)所示。MEA刚挠印制板3也由挠性印制板31和刚性印制板32组成，这与遥控遥测刚挠印制板1是相同的，这里不再详述。后盖板6安装于功能模块的后方，MEA印制板2装在设备后盖板6上。

下半部分型腔18用来安装整机母线汇流条4，功能模块叠放后，该型腔18组成了整机母线汇流条的安装槽。整机母线汇流条4和各个功能模块中的内部汇流条21通过压接的方式连接，用来传输整机各个模块间的大电流。

功能模块内部采用分层式立体化布局，功能模块中有印制板19（图5所示），功能模块的大侧面和印制板19均可以布置器件，大侧面和印制板19以器件相对的方式叠放，且两层器件中高度较大的器件彼此交错分布，既能有效利用内部空间，又能保证器件间的安全间隙。大功率器件根据热耗大小，直接贴壳安装在模块内部不同部位，功能模块底面为散热面，器件热耗越大，越靠近底面安装。如图5所示，功能模块的底面设有陶瓷基板26，器件通过陶瓷基板散热；陶瓷基板包括与底面接触的铝基碳化硅层，以及铝基碳化硅层上的Al₂O₃层；Al₂O₃层上焊接器件。如图7所示，功能模块中设置有大电感安装盒20，将大电感封装在所述大电感安装盒内部，从而实现较佳地散热和电磁屏蔽。

每个功能模块内部根据电流走向和电流大小，设计不同的模块内部汇流条21，用来传输模块内部大电流，并设计接口和整机母线汇流条连接。如图6示出的模块内部器件以及图8示出的两种模块的内部汇流条局部图，内部汇流条21上可以加工出插子22，插子上有焊接孔，则功能模块中的大功率器件通过导线焊接插子，从而满足大电流传输。内部汇流条21的一端伸出到下半部分型腔18中，压铆螺钉23穿过内部汇流条的伸出部位压接在金属压板24上，金属压板24设置在下半部分型腔内部，为汇流条提供了足够的支撑。与整机母线汇流条连接时，压铆螺钉23穿过整机母线汇流条4由螺母锁紧。在空间较小的地方，内部汇流条上下叠放，内部汇流条之间设有绝缘垫27。

为了提高散热效果，功能模块内部没有安装器件的内表面做黑色阳极化处理，半球发射率ε_H≥0.85；且器件与功能模块内表面接触的部位涂导热填料。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种星载大功率电源控制器可扩展结构平台，其特征在于，包括：多个功能模块、遥控遥测刚挠印制板（1）、主误放大器EMA模块、整机母线汇流条（4）、上盖板（5）、后盖板（6）和侧盖板（7）；所述功能模块包括三类，分别是充放电调节模块（8）、分流调节模块（9）和遥控遥测模块（10）；充放电调节模块和分流调节模块的数量根据功率设计目标选取；

每个功能模块的主体结构均为整体掏空的五面体结构，其具有前、后、顶、底四个小面和一个大侧面；各功能模块竖直放置并叠放在一起后安装侧盖板（7），功能模块间通过凸起的耳片（11）相互连接；

每个功能模块底面两端具有凸耳（14），凸耳上设有与卫星舱板固定的安装孔（15）；除遥控遥测模块（10）外，每个功能模块的底面开设用于与卫星舱板固定的反穿孔（13）；

功能模块顶部设有安装遥控遥测刚挠印制板的型腔（16），遥控遥测刚挠印制板（1）通过接插件与功能模块中的电路板连接，从而将各个功能模块连接起来，用来传输遥控遥测信号；遥控遥测刚挠印制板（1）上覆盖上盖板（5）；

功能模块的后面设置两个型腔；上半部型腔（17）用于安装EMA模块，EMA模块由MEA印制板（2）和MEA刚挠印制板（3）组成，MEA印制板（2）装在后盖板（6）上，后盖板（6）安装于功能模块的后方，MEA刚挠印制板（3）安装在上半部型腔（17）中预留的台阶面上，MEA印制板（2）、MEA刚挠印制板（3）和功能模块中的电路通过接插件连接，用于传输MEA模块与功能模块之间的控制信号；下半部分型腔（18）用于安装整机母线汇流条（4），整机母线汇流条（4）和各个功能模块中的内部汇流条（21）通过压接方式连接，用来传输整机各个功能模块间的大电流；不同功能模块上所设置的三处型腔位置相同；

功能模块内部采用分层式立体化布局，功能模块的大侧面和功能模块中的印制板（19）均可以布置器件，大侧面和印制板（19）以器件相对的方式叠放，且两层器件中高度较大的器件彼此交错分布；大功率器件根据热耗大小，直接贴壳安装在功能模块内部，功能模块底面为散热面，器件热耗越大，靠近底面越近；功能模块内设计内部汇流条（21），用于传输模块内部大电流，并与整机母线汇流条（4）连接；

功能模块的前面设有功能模块与外部连接的对外接插件(25)。

2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，遥控遥测刚挠印制板（1）和MEA刚挠印制板（3）均由挠性印制板（31）和刚性印制板（32）组成，挠性印制板从双层结构的刚性印制板中间穿过；刚性印制板上焊接接插件（33），用于与功能模块相连；相邻两刚性印制板之间挠性印制板（31）的预留长度大于功能模块的中心间距。

3.如权利要求1所述的平台，其特征在于，一个电源控制器中至少配置两个遥控遥测模块作为主备份，且这两个遥控遥测模块布置在所有功能模块中间位置。

4.如权利要求1所述的平台，其特征在于，功能模块中设置有大电感安装盒（20），将大电感封装在所述大电感安装盒内部。

5.如权利要求1所述的平台，其特征在于，功能模块的底面设有陶瓷基板（26），器件通过陶瓷基板散热；陶瓷基板包括与底面接触的铝基碳化硅层，以及铝基碳化硅层上的Al₂O₃层；Al₂O₃层上焊接器件。

6.如权利要求1所述的平台，其特征在于，内部汇流条（21）上加工出插子（22），插子（22）上有焊接孔，功能模块中的大功率器件通过导线焊接插子；内部汇流条（21）的一端伸出到下半部分型腔（18）中，压铆螺钉（23）穿过内部汇流条的伸出部位压接在金属压板（24）上；压铆螺钉（23）进一步穿过整机母线汇流条（4）由螺母锁紧。

7.如权利要求1所述的平台，其特征在于，在空间较小的地方，内部汇流条上下叠放，叠放的内部汇流条间设有绝缘垫(27)。

8.如权利要求1所述的平台，其特征在于，功能模块之间的搭接处留有止口，且做导电氧化处理。

9.如权利要求1所述的平台，其特征在于，功能模块内部没有安装器件的内表面做黑色阳极化处理，且器件与功能模块内表面接触的部位涂导热填料。