CN106411119A - 一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块 - Google Patents

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王志军
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王健
郭鸿柱
侯事成
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Abstract

本发明公开了一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块。该模块包括外壳、电路板、输入、输出接插件，电路板密封在外壳内，输入、输出接插件分别固定在电路板的两端；电路板上装有输入过流保护电路、防反接保护电路、直流滤波电路、尖峰电压抑制电路、过压浪涌抑制及自恢复式过压保护电路、滤波蓄电电路、欠压保护设置电路和直流电压转换电路；采用密封式金属屏蔽外壳及金属接插件将电路板包裹在其中，保证其具有良好的电磁屏蔽性，在电气性能上可满足多种型号的机载卫星抗干扰天线的电源单元的指标要求，保护功能齐全，具有输入输出防错插功能；保证电源指标的准确性及一致性，可提高生产效率，缩短研发周期，降低生产及研制经费。

Description

一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块
技术领域
本发明涉及卫星抗干扰天线供电系统，特别是涉及一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块。
背景技术
近几年多种型号的机载卫星抗干扰天线在设计原理上几乎保持一致，主要包括外壳结构、电源单元、数字抗干扰处理单元、射频单元以及天线阵单元，主要是针对不同的机型采用了不同的外形结构设计以及不同的软件协议转换和相关的抗干扰指标。对于电源单元的技术指标应用了几乎相同的规格要求，需要电源单元输出直流5V电压，稳态最大负载功耗10瓦左右，满足GJB181A-2003和GJB181-1986中28V机载直流供电系统供电特性要求，包括输入欠压浪涌、输入过压浪涌、电压尖峰、电压瞬断以及宽范围直流输入电压等指标要求，并满足GJB151A-97电磁兼容性相关指标要求，体积上要求尽量小，转换效率尽量高。在之前的产品设计中，针对不同的产品型号，需要设计人员进行结构位置划分，协商处理各自单元的设计方式，对于电源单元来说，需要跟数字单元和射频单元进行电源输出接口的位置对应，还需要跟外部供电电源的输入接口进行位置对应，如果缺乏有效全面的沟通，很容易造成位置的差池，导致连线交叉错乱，影响整体的设计方案。而且设计师需要根据实际需要进行重新布板，增加了研制时间和研发成本，在繁琐的布板工作中容易产生设计纰漏，造成设计上的浪费。另一方面，目前的电源单元采用裸板的方式进行设计，由于电源单元的大功率和高频率特性，会影响整机的电磁兼容性指标，更会对抗干扰天线内部的其他单元产生电磁干扰，造成整机的多项技术指标下降，如若处置不当，会影响抗干扰天线的抗干扰能力和卫星信号的接收强度，进一步影响接收机的定位信息并降低定位精度。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元设计要求的标准电源模块。该电源模块输出稳定的直流5V电压，最大功率可达15W，满足GJB181A-2003和GJB181-1986中28V机载直流供电系统供电特性要求，可在输入欠压浪涌、输入过压浪涌、电压尖峰、电压瞬断的机载供电特性试验中保持稳定的5V输出，输入电压范围为18～34V，满足宽范围直流输入电压的指标要求，内置EMI滤波电路，可满足GJB151-97电磁兼容性相关指标要求，体积较小，长宽高为70×25×10（mm），带载转换效率可达88%，不需要额外的散热装置。通过模块四周的四个法兰孔，与整机进行固定。输入及输出接口采用标准的J30J接插件，具有物理防错插的两种型号，防止输入输出接反。
本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块，其特征在于：包括金属屏蔽外壳、输入接插件、电路板和输出接插件，电路板密封在金属屏蔽外壳内，输入接插件和输出接插件分别固定在电路板的两端；所述的电路板上装有自恢复式过流保护电路A、防反接保护电路B、直流滤波电路C、尖峰电压吸收电路D、浪涌电压吸收及过压保护电路E、滤波蓄电电路F、欠压保护设置电路G和直流电压转换电路H；其电路连接为：输入接插件与防反接保护电路B连接、防反接保护电路B与自恢复式过流保护电路A连接、自恢复式过流保护电路A与直流滤波电路C连接、直流滤波电路C与尖峰电压吸收电路D连接、尖峰电压吸收电路D与浪涌电压吸收及过压保护电路E连接、浪涌电压吸收及过压保护电路E与滤波蓄电电路F连接、滤波蓄电电路F与欠压保护设置电路G连接，欠压保护设置电路G与直流电压转换电路H连接，直流电压转换电路H与输出接插件连接。
本发明的特点是：采用密封式金属屏蔽外壳以及金属接插件将电路板包裹在其中，盖板与盒体连接处，留有“深缝隙”结构，保证其具有良好的电磁屏蔽性，并通过填隙导热材料，使整个壳体形成大面积散热，使产品具有良好的热设计，无需增加外部散热。在电气性能上可满足多种型号的机载卫星抗干扰天线的电源单元的指标要求，保护功能齐全。输入输出接口采用9针弯插式J30J金属接插件，与金属外壳良好接触，形成完好的电磁屏蔽性，并具有输入输出防错插功能。该电源模块结合了多种型号的机载卫星抗干扰天线的电源单元的设计指标于一体，可替代其电源单元，在产品的批量生产调试以及新品的研制中，都可以有效的降低调试人员以及设计人员的工作量，保证电源指标的准确性及一致性，可提高生产效率、缩短研发周期，并降低生产经费以及研制经费。本发明采用螺钉固定接插件的方式与外部输入输出进行连接，并采用紧固件固定法兰孔的方式安装固定，无需电烙铁进行焊接，拆卸方便，具有较好的可更换性。本电源模块可适用于多种型号的机载卫星抗干扰天线的电源单元设计需求，安装方便，使用简单，可作为通用性电源模块，为各种型号的卫星抗干扰天线进行配套，由专职人员进行生产调试，保证产品的功能良好和一致性，将抗干扰天线的电源单元统一应用该电源模块，可最大限度的降低生产和调试经费。
附图说明
图1为本发明的外形图；
图2为图1的爆炸图；
图3为本发明的电路连接框图；
图4为本发明的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图3、图4所示，本设计包括金属屏蔽外壳、电路板3、输入接插件4和输出接插件5，电路板3密封在金属屏蔽外壳内，输入接插件4和输出接插件5分别通过螺钉和螺母固定在电路板3的两端；电路板3上装有自恢复式过流保护电路A、防反接保护电路B、直流滤波电路C、尖峰电压吸收电路D、浪涌电压吸收及过压保护电路E、滤波蓄电电路F、欠压保护设置电路G和直流电压转换电路H；其电路连接为：输入接插件4与防反接保护电路B连接、防反接保护电路B与自恢复式过流保护电路A连接、自恢复式过流保护电路A与直流滤波电路C连接、直流滤波电路C与尖峰电压吸收电路D连接、尖峰电压吸收电路D与浪涌电压吸收及过压保护电路E连接、浪涌电压吸收及过压保护电路E与滤波蓄电电路F连接、滤波蓄电电路F与欠压保护设置电路G连接，欠压保护设置电路G与直流电压转换电路H连接，直流电压转换电路H与输出接插件5连接。
如图2所示，本设计的金属屏蔽外壳包括壳体1和盖板2，电路板3的两端分别留有用于装配接插件的安装孔，壳体1底部对称设有一体式四个法兰6，将两端分别固定有输入接插件4和输出接插件5的电路板3固定在壳体1上，将盖板2与壳体1装配为一体。
如图3和图4所示，输入接插件4采用J30J-9ZKWP7-J接插件X1，输出接插件5采用J30J-9TJWP7-J接插件X2，浪涌电压吸收及过压保护电路E采用LTC4366-2芯片U1，直流电压转换电路H采用LMZ14203芯片U2，其中，接插件X1的1脚和2脚通过自恢复式保险丝F1连接肖特基二极管D1的正极，肖特基二极管D1的负极连接电感L1和电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L2的一端，同时连接至接插件X1的3脚和4脚，然后一起接地；电感L1和电感L2的另一端连接电容C2，同时电感L1和电感L2的另一端又连接双向瞬态抑制二极管D2，双向瞬态抑制二极管D2的一端连接至MOS管M1的漏极，同时又通过电阻R1连接至芯片U1的VDD脚和SD脚，MOS管M1的栅极通过电阻R5连接至芯片U1的GATE脚；电容C3的一端连接至芯片U1的TIM脚，电容C3的另一端连接至芯片U1的Vss脚和BASE脚，并通过电阻R2接地，同时芯片U1的BASE脚通过电容C4连接电阻R3的一端及芯片U1的OUT脚，电阻R3的另一端连接至芯片U1的FB脚，并通过电阻R4接地；芯片U1的OUT脚又连接至MOS管M1的源极，并通过双向瞬态抑制二极管D3、电容C5分别接地，同时又连接电阻R7、电阻R8和电容C6的一端及芯片U2的VIN脚，电阻R8的另一端连接至芯片U2的RON脚，电阻R7的另一端与电阻R6的一端连接至芯片U2的EN脚，同时又连接至接插件X1的5脚和6脚，电阻R6的另一端接地；电容C6的另一端和电容C7的一端连接至芯片U2的GND脚，电容C7的另一端连接至芯片U2的SS脚，电容C8和电阻R9的一端连接至芯片U2的FB脚，同时又与电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端连接至芯片U2的VOUT脚，同时又与电容C8的另一端连接，然后又与电容C9和电容C10的一端连接，连接后又一起连接至接插件X2的1脚、2脚和3脚，电阻R10、电容C9和电容C10的另一端连接至接插件X2的4脚、5脚和6脚，接插件X2的7脚、8脚和9脚分别连接至接插件X2的7脚、8脚和9脚。
本设计物理安装：本设计外部只有金属屏蔽外壳和金属接插件，电路板在腔体内部通过螺钉固定在壳体上，螺钉安装时涂适量螺纹紧固剂，盖板与壳体连接处留有“深缝隙”结构，保证电磁屏蔽性能；同时，PCB板上较大的元件和发热器件可增加适量导热硅橡胶，使整个电源模块满足相关振动要求，形成良好的抗振设计，PCB板上的发热器件与外壳通过导热填隙材料相连，使整个壳体形成大面积散热，达到良好的热设计。输入和输出两个接插件分别从壳体两端的匹配开槽处穿过，通过壳体的卡槽式设计并安装导电橡胶条，可将整个电路板密封于金属外壳和金属接插件中，使整个电路板具有完整的电磁屏蔽性。外壳四周设置了四个法兰盘，可通过其中的四个螺钉孔将电源模块进行安装固定。使用中仅需要通过物理方式插拔接插件对应的插头即可，而且输入和输出接插件采用了两种不同的型号，具有物理防错插功能，使用方便快捷。
本设计电路工作原理： 输入前端设置自恢复式保险丝F1和肖特基二极管D1，以实现输入过流保护功能和GJB181B-2012中新增的长时间输入防反接保护功能，可以保证后续的蓄电电路可以有效的应用于其后端的负载电路；并可以在其后端并联于正负极之间的器件发生过流或者短路故障时，防止对供电系统造成不可恢复的损坏，又能在过流或者短路故障消失时，自动恢复到正常工作状态。
直流滤波电路采用两个电感配置合适的滤波电容组成一级直流滤波电路，以满足GJB151-97电磁兼容性中规定的CE102指标要求，并配合完成其他传导发射类电磁兼容性试验要求，并能削弱GJB181-1986机载供电特性规定的600V电压尖峰的峰值电压和GJB181A-2003机载供电特性规定的400V电压尖峰的峰值电压，以便后续电路更好的抑制掉尖峰电压和各种超限的电压噪声。
尖峰电压吸收电路采用1500瓦的双向瞬态抑制二极管，其关断电压85V，击穿电压95V，箝位电压137V，电压箝位启动时间1ps，可将经过滤波器削弱的电压尖峰箝位到137V，再通过后续的浪涌电压吸收电路将尖峰电压彻底吸收掉。
浪涌电压吸收及过压保护电路采用以凌特公司生产的型号为LTC4366-2的控制芯片为主体，并辅以大功率MOS管、双向TVS管和外围阻容器件共同完成该保护功能。此芯片采用坚固型浮动拓扑结构，具有较小的体积和良好的稳定性，输出箝位电压和过压保护定时器具有外部可调的特点，可根据设计需要调节箝位电压点和过压持续时间。
针对GJB181-1986和GJB181A-2003供电特性的相关要求，需要电源模块吸收80V和50V的电压浪涌。在本电路设计中，将箝位电压设定为36V，过压持续时间设置为100ms。芯片U1的反馈输入点FB对OUT引脚的电压为1.23V。
设定电阻R3为标称阻值12.4K，在其两端分配1.23V的压降，其对地电流约为0.1mA，则电阻R4两端分配的电压：
U=36V-1.23V=34.77V，
R4=U/I=34.77V/0.1mA≈348K。
本应用通过设定电容C3的容值来设定过压持续时间，在GJB181-1986供电特性中，过压浪涌持续时间为50ms，考虑到实际应用和功率MOS管的承受过压能力，因此将过压持续时间限定为100ms，当过压持续时间超过设定值时，即可通过芯片U1内部的模拟控制电路致使MOS管M1的栅极关断电压输出，从而实现过压保护功能。电容C3的充电电流I按照芯片U1给定值9uA计算，充电电压上限U为2.5V，当电容C3充电完毕后，即可实现上述功能。C3=I×T/U≈360nF，因此设定电容C3容值为标准的330nF，可以满足设计要求。
通过以上对电阻R3、电阻R4和电容C3的设定，可将过压浪涌箝位在36V，以达到吸收过压浪涌的作用，当过压持续时间超过100ms时，可关断电压输出，保证后续电路安全稳定工作。
芯片LTC4366-2内置了9秒的冷却定时器，当过压持续时间超过了100ms，关断了电压输出9秒后，芯片U1将执行自动重试操作，当故障消失后，可自动恢复正常的电压输出，如过压故障依然存在，则继续保持输出关断，应用该功能得以实现自恢复式过压保护功能。
在过压浪涌期间，超出箝位电压的压差都承受在N沟道MOS管M1两端，600V电压尖峰由于持续时间较短，功率较小，所以在浪涌吸收电路前端设置了瞬态抑制二极管，将其峰值电压箝位在137V，80V浪涌电压持续时间较长，功率较大，需要完全通过MOS管源极和漏极两端承受，在产品应用中，考虑到产品的高可靠性，因此选择耐压为200V，最大电流为24A的功率MOS管，以保证足够的安全性和耐用性，并选择最小体积的产品来保证实际的PCB布局空间。
芯片LTC4366-2的反应时间有1us的时间延迟，为了做到无缝连接吸收尖峰电压，在浪涌吸收电路末端设置了一个箝位电压40V的双向瞬态抑制二极管，双向瞬态抑制二极管的启动时间量级为10-12S，常规的仪表根本捕捉不到这么短时间的电压尖峰，因此通过该设置，基本可以达到尖峰电压信号的无缝连接吸收，最大程度上保护后续的电压转换电路不受电压尖峰的影响。
滤波蓄电电容主要是应对某些产品要求中提出的200us电压瞬断的要求，根据公式C=I×T/ΔU，产品的工作电流I=1A，瞬断持续时间T=200us，电压转换电路的最低工作电压为7V，
电压变化量ΔU=28-7=21V，算得C=I×T/ΔU≈9.5uF。
因此选用50V耐压，22uF容值的电容作为此应用中的蓄电电容使用。
欠压保护设置电路是通过芯片U2的使能端EN引脚提供的参考电压和电阻R6、R7对输入电压的分压比较完成的。芯片U2的使能端提供了精确的1.18V带隙上升阈值电压。
根据计算公式R7/R6=(VinL/1.18)-1，
设定欠压保护临界点VinL=7V，R6=13.8K，
算得R7=68.1K。
通过此设定，当输入电压低于7V时，可以截止电压输出，防止输入电流过大造成设备前端损坏，并可以满足GJB181-1986规定的8V/50ms欠压浪涌的需求以及配合完成200us电压瞬断的指标要求，保证产品在此非正常供电期间可以正常稳定工作。
直流电压转换电路围绕TI公司生产的型号为LMZ14203的芯片完成电路设计，该电路转换效率高达90%，最大输出功耗可达18W，输入电压范围6至42V，输出电压范围0.8至6V，内置开关管，集成屏蔽式电感，具有很低的电磁干扰辐射，电压输出纹波低至10mV，相对于其他的电压转换电路具有很强的优势，因此将该电路应用到本设计中。其中电容C6为电路前端的滤波电路，为后续电路工作提供稳定的输入电压；芯片U2（型号为LMZ14203）为电源转换的主体芯片，为其他电路部分提供输入欠压保护基准信号、输出电压基准信号和软启动时间控制信号，并具有输出短路保护功能，为该电路的核心集成电路，是电压转换电路的核心部分；经过前端保护电路处理后的电源输入接入U2的VIN引脚，开始进行电压转换；电阻R8为导通时间设置电阻，电阻R8和芯片U2的RON引脚构成导通时间设置电路，通过改变R8的阻值可以调节导通时间的长短；电容C7与芯片U2的SS引脚构成软启动时间设置电路，通过芯片U2的SS引脚向电容C7充电来实现软启动功能；电阻R9、电阻R10与芯片U1的FB引脚构成输出电压设置电路，通过调节电阻R9和电阻R10的比值大小来设定输出电压值，FB引脚提供了0.8V的基准电压，通过计算式：VOUT=0.8×(1+R9/R10)，设定R10=6.8KΩ，输出电压VOU=5V，得出R9=35.7 KΩ，以满足5V直流电压输出；电容C10作为电路输出端的滤波电路，与芯片U2的VOUT引脚连接，为后续负载电路提供稳定的5V直流工作电压。

Claims (3)

1.一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块，其特征在于：包括金属屏蔽外壳、电路板（3）、输入接插件（4）和输出接插件（5），电路板（3）密封在金属屏蔽外壳内，输入接插件（4）和输出接插件（5）分别固定在电路板（3）的两端；所述的电路板（3）上装有自恢复式过流保护电路A、防反接保护电路B、直流滤波电路C、尖峰电压吸收电路D、浪涌电压吸收及过压保护电路E、滤波蓄电电路F、欠压保护设置电路G和直流电压转换电路H；其电路连接为：输入接插件（4）与防反接保护电路B连接、防反接保护电路B与自恢复式过流保护电路A连接、自恢复式过流保护电路A与直流滤波电路C连接、直流滤波电路C与尖峰电压吸收电路D连接、尖峰电压吸收电路D与浪涌电压吸收及过压保护电路E连接、浪涌电压吸收及过压保护电路E与滤波蓄电电路F连接、滤波蓄电电路F与欠压保护设置电路G连接，欠压保护设置电路G与直流电压转换电路H连接，直流电压转换电路H与输出接插件（5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块，其特征在于：所述的金属屏蔽外壳包括壳体（1）和盖板（2），电路板（3）的两端分别留有用于装配接插件的安装孔，壳体（1）底部对称设有一体式的四个法兰（6），将两端分别固定有输入接插件（4）和输出接插件（5）的电路板（3）固定在壳体（1）上，将盖板（2）与壳体（1）装配为一体。
3.根据权利要求2所述的一种满足机载卫星抗干扰天线电源单元要求的电源模块，其特征在于：所述的输入接插件（4）采用J30J-9ZKWP7-J接插件X1，输出接插件（5）采用J30J-9TJWP7-J接插件X2，浪涌电压吸收及过压保护电路E采用LTC4366-2芯片U1，直流电压转换电路H采用LMZ14203芯片U2，其中，接插件X1的1脚和2脚通过自恢复式保险丝F1连接肖特基二极管D1的正极，肖特基二极管D1的负极连接电感L1和电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L2的一端，同时连接至接插件X1的3脚和4脚，然后一起接地；电感L1和电感L2的另一端连接电容C2，同时电感L1和电感L2的另一端又连接双向瞬态抑制二极管D2，双向瞬态抑制二极管D2的一端连接至MOS管M1的漏极，同时又通过电阻R1连接至芯片U1的VDD脚和SD脚，MOS管M1的栅极通过电阻R5连接至芯片U1的GATE脚；电容C3的一端连接至芯片U1的TIM脚，电容C3的另一端连接至芯片U1的Vss脚和BASE脚，并通过电阻R2接地，同时芯片U1的BASE脚通过电容C4连接电阻R3的一端及芯片U1的OUT脚，电阻R3的另一端连接至芯片U1的FB脚，并通过电阻R4接地；芯片U1的OUT脚又连接至MOS管M1的源极，并通过双向瞬态抑制二极管D3、电容C5分别接地，同时又连接电阻R7、电阻R8和电容C6的一端及芯片U2的VIN脚，电阻R8的另一端连接至芯片U2的RON脚，电阻R7的另一端与电阻R6的一端连接至芯片U2的EN脚，同时又连接至接插件X1的5脚和6脚，电阻R6的另一端接地；电容C6的另一端和电容C7的一端连接至芯片U2的GND脚，电容C7的另一端连接至芯片U2的SS脚，电容C8和电阻R9的一端连接至芯片U2的FB脚，同时又与电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端连接至芯片U2的VOUT脚，同时又与电容C8的另一端连接，然后又与电容C9和电容C10的一端连接，连接后又一起连接至接插件X2的1脚、2脚和3脚，电阻R10、电容C9和电容C10的另一端连接至接插件X2的4脚、5脚和6脚，接插件X1的7脚、8脚和9脚分别连接至接插件X2的7脚、8脚和9脚。
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