跟踪通讯系统_机载通信电源模块设计报告.docx

产品设计报告文档编号文档分类产品设计报告版本密级电源模块设计报告拟制：日期：审核：日期：批准：日期：1更改记录页修订历史记录日期版本说明作者2信安公司 电源模块设计报告目 录1项目概述42技术参数要求43总体设计53.1总体设计原理框图53.2滤波电路设计53.3DC/DC转换电路设计63.4输出电路设计73.4.1+5V输出设计73.4.2+12V输出设计93.4.3-12V设计113.5检测电路设计123.6可靠性设计133.6.1过温保护133.6.2降额设计143.6.3PCB设计143.6.4热设计153.7接口描述及接口定义163.8结构件设计要求214风险分析214.1技术风险214.2进度风险215人力资源配置216总结223信安公司 电源模块设计报告电源模块设计报告1 项目概述本电源模块应用于XXX通信设备中，主要实现对一次电源的滤波和稳压处理，同时将输入的一次电源转换为XXX通信设备中各模块所使用的二次电源。2 技术参数要求（1） 电源模块在产品交付验收时和在各阶段测试期间的初始加电状态应是明确的，并具有合理性、安全性、一致性和可重复性；（2） 一次电源接口DC 18-36V，电源模块保证在一次电源输入的电压范围内（18-36V）正常工作，一次电源电流5.5A；（3） 电源模块共输出9路二次电源，具体要求如下表所示：表 1：电源模块输出电压要求序号电压电流输出模块输入模块备注128V3A电源模块C波段PA模块212V1.5A电源模块3-12V0.2A电源模块428V0.4A电源模块U波段PA模块55V1.5A电源模块65V65mA电源模块C波段LNA75V60mA电源模块U波段LNA85V3.6A电源模块数字基带（4） 电源模块与一次电源的供电接口有故障隔离措施，当机载通信设备短路时不影响一次电源的正常工作；（5） 要求电源模块的DC/DC转换效率不低于85%；（6） 将C波段PA模块功率遥测、温度遥测，U波段PA模块功率遥测及电源模块本身的电压遥测(0+5V)、温度遥测(0+5V)送数字基带模块采集，同时转发来自数字基带模块对C波段PA模块的控制指令；（7） 电源模块尺寸要求：130mm80mm30mm；（8） 重量要求：300g（不含结构重量）；（9） 工作温度要求：-4060。3 总体设计3.1 总体设计原理框图电源模块主要是将外部送入的28V一次电源转换为其他模块所使用的各档供电电压，并执行相应的模拟遥测功能，如下图所示。图 1：电源模块组成框图3.2 详细原理图设计3.3 滤波电路设计开关电源电磁干扰滤波器用在一次电源和DC/DC转换电路之间，它具有双向抑制性能，相当于这二者之间的EMI噪声之间加上一个阻断屏障。日本Murata公司的NFM31穿心电容利用陶瓷工艺和独创材料，对噪声和EMI有很好的抑制作用。等效电路如下图：图 2：NFM31穿心电容等效电路图 3 ：NFM31穿心电容插入损耗特性图图 4：滤波电路原理图3.4 DC/DC转换电路设计VICOR公司是美国著名的开关电源生产厂商，其标志产品是DC/DC转换器，以高的功率密度（24.8W/cm3）和高效率著称，广泛用于航空航天领域。VICOR模块区别于通常产品之处主要是它使用了软开关的ZCS技术，通常的硬开关斩波器波形近似为矩形波，即强迫开关器件在电压不为零时开通，电流不为零时关断，这样在矩形波的边沿就会因寄生参数而产生高频振荡，导致开关损耗增大，频率越高，开关损耗越大；而VICOR模块应用谐振技术，使开关器件中的电流波形近似于半周期的正弦信号，这样开关的导通、关断时刻都对应零输入电流（即开关管电流），从而即使开关频率超过1MHz，开关损耗也只占极小的百分比。高的开关频率、低的开关损耗便产生了一系列优点：功率密度高、传导和辐射噪声小、响应快、转换效率高等。DC/DC转换+28V输出电路采用VICOR公司的PRM预稳压模块+VTM电压隔离转换模块方案，该方案效率高达95%以上，当输入电压在+18V+36V之间波动时，保证+28V的稳定输出；同时VTM模块具有隔离功能，当输出电源负载发生故障时，不影响一次电源的正常工作。应用电路如下图：图 5：DC/DC转换原理图3.5 输出电路设计3.5.1 +5V输出设计 采用VICOR公司PI3109-01-HVIZ电源管理芯片，应用电路如下图。图 6：+5V应用电路 +5V滤波解决方案图 7：+5V滤波应用电路图 8：PI3109-00/-01 Minimal Differential Ripple Attenuation Results图 9：PI3109-00/-01 Green=Post Filter 1mV p/p, Red= Prefilter3.5.2 +12V输出设计 采用VICOR公司的PI3106-01-HVIZ电源管理芯片，应用电路如下图。图 10：+12V应用电路 +12V滤波解决方案图 11：+12V滤波应用电路图 12：PI3106-00/-01/3111-00/01/3105-00/01 Minimal Differential Ripple Attenuation图 13：PI3106-00-HVMZ Simulated Ripple4.2A loadRed=V prefilterGreen=V post filterIs below 1mV p/p3.5.3 -12V设计采用美国TI公司的TPS63700，TPS63700是一款DC反向变换器，输入+2.7V+5.5V,输出最低可调节到-15V，负载电流达360mA,高达84%的效率，工作温度-40+85，满足设计所需要，应用电路如下图：图 14：-12V输出应用电路3.6 检测电路设计温度检测电路设计采用MICROCHIP公司的温度传感器TC1047A,该器件温度检测范围宽（-40+125），线性好（10Mv/），是我司应用比较成熟的一款温度传感器;应用设计框图如下：图 15：温度检测原理框图图 16：温度检测器输出电压与温度关系曲线3.7 可靠性设计3.7.1 过温保护VICOR公司生产的开关电源模块具备过温保护功能，当模块本身温度达到或超过135时，模块自动关机。3.7.2 降额设计为了保证产品的可靠性，在元器件选型上严格参照GJB/Z 35-93元器件降额准则，对所选元器件进行降额使用。主要器件降额参数降额准则实际降额电源模块功率密度W/cm27.5 W/cm215.965 W/cm2TPS63700反相器输出电流0.80.55陶瓷电容工作电压0.50.48铝电解电容工作电压0.750.563.7.3 PCB设计PCB线宽决定电源模块的最大输出电流，实际设计中我们按照所需线宽125%以上来设计；如PCB +28V输出线宽设为2.2mm,理论值为1.7mm。PCB布线时首先要设置走线宽度，在此使用下式计算线宽与电流的关系：I=KT0.44A0.75,W=A/d式中， K修正系数，一般覆铜线在内层时取0.024，在外层时取0.048；T最大温升，单位为（铜的熔点是1060）；A敷铜截面积，单位为平方mil；I容许的最大电流，单位为安培（A）。大部分PCB的铜箔厚度为35um,即无特殊要求下d取35um，即d=0.035/0.0254=1.378mil由I、K、T导出A，由A、d导出W。本电源模块PCB选择敷铜厚度为35um，经计算，4A电流线宽为：10温升、4A：4=0.048*100.44* A0.75A0.75=4/(0.048*100.44)=30.257mil2A=94.28mil2线宽=A/1.378=68.4mil=1.73736mm30温升、4A：4=0.048*30.0.44* A0.75A0.75=4/(0.048*300.44)=18.65889mil2A=49.48965mil2线宽=A/1.378=35.9mil=0.91mm下图是一个电流密度经验值，为1525安培/平方毫米。线宽单位为inch(1inch=1000mil=2.54cm=25.4mm)3.7.4 热设计VICOR公司的电源模块都是通过模块的壳体向外散热，为了保证电源模块的可靠性，在PCB设计时，我们将VICOR公司电源模块布在PCB底层，让模块通过导热纸充分和腔体铝外壳接触。导热纸导热率在300-450间，比纯铝以及纯铜性能更加优异，理论上可以使电源模块和腔体铝外壳之间的温差小于5，常用厚度在0.1-0.5左右， 特点： 导热性能十分优异 使用比传统材料(硅脂、硅胶片等)更加方便，性能更加优异 绝缘 柔软，能够与发热源和散热器或外壳紧密接触图 17：导热纸外观 热传导理论德拜公式：l =(1/3) C v l 3.8 接口描述及接口定义 接口描述电源模块接口包括一次电源输入接口、二次电源输出接口、PA模块功率、温度遥测转换接口、PA模块切换指令转换接口、本身电压及温度遥测输出接口，接口特性如下表所示：表 2：电源模块接口汇总表序号项目特性接插件形式电路图1.一次电源接口(输入接口)输入一次电源：28V；输入纹波： 1.5Vp-p一次电源功耗： 150W；J30J-9ZK/2.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到C波段PA：28V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：84W；J30J-31ZK/3.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到C波段PA：+12V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：12W；J30J-31ZK/4.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到C波段PA：-12V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：1W/1.6W；J30J-31ZK5.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到U波段PA：+28V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：11.2W；J30J-25ZK6.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到U波段PA：+5V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：7.5W；J30J-25ZK/7.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到U波段LNA：+5V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：0.3W；J30J-25ZK8.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到C波段LNA：+5V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：0.35W；J30J-25ZK9.二次电源接口(输出接口)输出二次电源到数字基带：+5V；输出纹波：100 mVp-p；二次电源功耗：18W；ESQ-126-37-L-D10.功放温度遥测接口（输入输出接口）C波段20W/1W功放经电源模块到数字基带模块1路温度遥测（05V）。输入：J30J-31ZK：输出：ESQ-126-37-L-D；11.功放功率遥测接口（输入输出接口）C波段20W/1W功放经电源模块到数字基带模块1路功率遥测（05V）。输入：J30J-31ZK：输出：ESQ-126-37-L-D；12.功放功率遥测接口（输入输出接口）U波段1W功放经电源模块到数字基带模块1路功率遥测（05V）。输入：J30J-25ZK：输出：ESQ-126-37-L-D；13.温度遥测接口（输出接口）电源模块到数字基带模块1路温度遥测（05V）。ESQ-126-37-L-D14.电压遥测接口（输出接口）电源模块到数字基带模块1路电压遥测（05V）。ESQ-126-37-L-D15.切换指令接口（输入输出接口）基带模块经电源模块到C波段20W/1W功放模块1路切换指令接口。输入：ESQ-126-37-L-D：输出：J30J-31ZK； 接口定义电源模块接口包括X01、X02、X03、X04，接口定义如下：表 3：X01节点分配（J30J-25ZK）接点号信号（功能）描述电压 V 电流 A 极性备注(屏蔽/双绞)1空2、14到U波段1W功放28V母线28V0.4+3、15到U波段1W功放28V回线GND0.4-4、16到U波段1W功放5V母线5V1.5+5、17到U波段1W功放5V回线GND1.5-6、18U波段1W功放功率遥测05V0.27、19U波段1W功放功率遥测回线GND0.2-8、20到C波段LNA5V母线5V0.0659、21到C波段LNA5V回线GND0.065-10、22到U波段LNA5V母线5V0.0611、23到U波段LNA5V回线GND0.06-12、13、24、25空表 4：X02节点分配（J30J-31ZK）接点号信号（功能）描述电压 V 电流 A 极性备注(屏蔽/双绞)1空2、3、4、5到C 波段20W/1W功放28V母线28V3A+17、18、19、20到C波段20W/1W功放28V回线GND3A-6、7到C波段20W/1W功放12V母线12V1.5+21、22到C波段20W/1W功放12V回线GND1.5-8、9到C波段20W/1W功放-12V母线-12V0.2+23、24到C波段20W/1W功放-12V回线GND0.2-10、11C波段20W/1W功放功率遥测05V0.225、26C波段20W/1W功放功率遥测回线GND0.2-12、13C波段20W/1W功放温度遥测5V0.227、28C波段20W/1W功放温度遥测回线GND0.2-14、15C波段20W/1W功放切换指令发232电平0.229、30C波段20W/1W功放切换指令收232电平0.216、31C波段20W/1W功放切换指令地GND0.2-表 5：X03节点分配（ESQ-126-37-L-D）接点号信号（功能）描述电压 V 电流 A 极性备注(屏蔽/双绞)1、2、3、4到基带二次电源母线5V3.6A+5、6、7、8到基带二次电源回线GND3.6A-9、10C波段20W/1W功放功率遥测05V0.211、12C波段20W/1W功放功率遥测回线GND0.2-13、14C波段20W/1W功放温度遥测05V0.215、16C波段20W/1W功放温度遥测回线GND0.2-17、18C波段20W/1W功放切换指令发232电平0.219、20C波段20W/1W功放切换指令收232电平0.221、22C波段20W/1W功放切换指令地GND0.2-23、24U波段1W功放功率遥测05V0.225、26U波段1W功放功率遥测回线GND0.2-27、28电源模块温度遥测05V0.2+29、3