白皮书

设计军用级快速启动电源应用

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作者：David Berry，首席应用工程师

任务关键型、快速启动隔离电源系统的设计必须完美无缺。这些系统需要在毫秒级时间内启动，并且每次都必须成功启动。

在电子系统中，电源的设计目的是为负载提供稳定的电压和/或电流。设计电源系统时，人们通常关注其对快速变化的负载以及负载所需快速变化电压的响应能力。而对电源系统的输入电压和启动时间则关注较少，因为人们通常假设系统电源始终存在。

然而，有些系统中电源并非始终存在，并且系统必须在施加输入电源后的数毫秒内激活。这些系统通常需要与电源隔离，以保持接地隔离或满足军用规范，例如军标 MIL-STD-704。

例如，在许多导弹发射系统中，目标信息直到发射前一刻才被编程到导弹中。在目标信息加载之前，导弹内部有多个系统需要激活，而电源系统只是其中之一，并且它需要第一个被激活，以驱动所有其他系统。因此，正确设计电源系统至关重要。

设计任务关键型电源系统

在设计必须在输入电压施加后 10 毫秒内启动的隔离电源系统时，有几个关键领域需要考虑：输入 dV/dt 不应超过电源组件的额定值；输入电容不应导致电源组件超出其额定值；输出电容值的选择应确保系统不会进入电流限制状态或表现出不稳定性。

许多 DC-DC 转换器的输入部分包含一个 LC 滤波器。如果该 LC 滤波器受到阶跃电压冲击（即向电源系统施加直流电压），可能会产生振荡，导致电压峰值升高至足以损坏电源组件内部电路的水平。最大输入 dV/dt 的常见限值是 10V/ms。机械开关或闭合过快的 FET 很容易超过 10V/ms 的上升时间。采用模块化电源方法，带有限流功能的输入滤波器可以将 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内部结构框图。通常，稳压 DC-DC 转换器的输入端需要一个输入电容器，这是因为它需要呈现低源阻抗，并确保转换器在输入电压和负载变化时保持工作稳定性。这个电容器需要缓慢充电，以避免超过最大 dV/dt，但又必须足够快，以帮助实现电源系统启动时间小于 10 毫秒的设计目标。在系统输入电压施加之初，图 2 中的 Q1 处于关断状态。当电压达到欠压开启阈值时，图 2 中的电荷泵控制模块将开始推动Q1，并升高滤波器的输出电压。这一输出电压的上升过程受到精确控制，以确保其不超过转换器的 dV/dt 限制，同时控制从电源端汲取的电流。

图 1：电源系统框图。

Block diagram of the internals of a typical input filter

图 2：典型输入滤波器内部结构框图。

电容是实现快速电源启动的重要因素

为了确保启动时间小于 10 毫秒，滤波器必须尽可能快地对其输出电容 C 充电。在希望通过合理的设计确保快速开启时间时，选取该输出电容的最小容值是最佳策略。在滤波器输出端使用非稳压隔离器将是最佳选择，因为这些隔离器几乎不需要输入电容，并且由于不进行稳压，其自身的控制环路不受影响。一个好的输入滤波器还应包括 EMI 和瞬态保护，以满足 MIL-STD-461 标准的 EMI 要求以及 MIL-STD-704 和 MIL-STD-1275 标准的输入瞬态要求。

如果在滤波器输出端使用隔离器，并且滤波器输出上升时间受控，那么隔离器的输出也将受控。该隔离器的输出电压根据其电压变换比镜像输入电压。这将使图 1 中的下游稳压器保持在其输入 dV/dt 规格范围内。稳压级确实需要输入电容以满足源阻抗要求和确保稳定性。因此，在确定滤波器所见的电容时需要考虑这一点。隔离器会将其输出电容反射到其输入端，从而被输入滤波器感知。

电容反射的计算公式是：隔离器输出/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，隔离器输出电容为 47μF，则反射到滤波器的电容为 1/2 的平方乘以 47μF，即 11.75μF。在这个应用中，隔离器的性能至关重要。该隔离器必须确保其功率链路中的电感极低。低电感值允许电流从输入端快速流向输出端，同时保持固定的输入输出电压比。一些隔离器的功率链路内部电感低至 nH 级别。

输入滤波器还能防止输入电源源头超出其最大电流额定值。例如，在诸如热插拔、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免受这种高 dV/dt 的影响。电源系统的输入端始终存在一个最大电流额定值，这是由电源本身的供电能力、连接器以及通往电源系统的走线所共同决定的。如果这些组件承受更高的电流水平，可能会失效、性能下降或成为潜在故障点。在要求启动时间小于 10 毫秒的电源系统中，电源的输入电压必须快速建立，因为此时序是 10 毫秒启动时间的一部分。若输入电压快速上升对电容进行充电，会导致高浪涌电流。滤波器有助于降低此浪涌电流。许多滤波器的浪涌电流额定值以安培/输出 μF（A/μF）为单位。如果额定值为 0.007A/μF，滤波器输出端电容为 47μF，则浪涌电流为 0.007A * 47μF = 0.329A。

在许多应用中，电源本身具有输出电容以及负载电容。这些电容由转换器的输出电压充电。当设计小于 10 毫秒的启动时间时，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，从而引起关断或因电流限制导致输出电压下降。如果转换器关闭并重启，则启动时间会延长。如果转换器进入电流限制状态，则输出电压下降，导致更长的上升时间并延长启动周期。考虑到这一点，设计时最好使用尽可能小的输出电容。为输出电容充电的输出电流通过以下公式确定：

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。如果负载在上升时间内处于活动状态，则需要将其添加到转换器提供的电流中。无论哪种情况，电流都不应超过最大值。如果电流确实超过最大值，则可以并联另一个转换器以提高该输出的电流额定值。

转换器的输出电容有助于降低转换器输出纹波，并在运行期间帮助保持转换器稳定。使用高开关频率的转换器有助于降低输出电容。高开关频率允许设计使用较低的电感和电容值，并将输出至负载的纹波保持在低至 30mV 的水平。典型的开关频率在 500KHz 至 1MHz 范围内。

当设计如图 1 所示的启动时间小于 10 毫秒的电源系统时，有几个组件必须激活并保持在各自的功率、电压和电流额定值范围内。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，保持源电流低于最大值，并使下游转换器保持在最大输入 dV/dt 范围内。当下游转换器达到其欠压开启阈值时，其内部控制器必须迅速唤醒，并有效控制输出电压，既要为输出电容充电，还需在许多情况下满足负载的电流需求。

这些唤醒时间是级联（逐级累积）的，最终的总唤醒时间必须小于 10 毫秒。图 3 展示了为实现低于 10 毫秒启动时间而配置的电源系统的实测性能。该系统配置了一个隔离器和两个非隔离稳压器。隔离器允许系统在输入和输出之间实现独立接地。稳压器启动时负载分别为 25W 和 33W。从施加输入电压开始测量的启动时间约为 4 毫秒。该系统具有很高的可扩展性，只需并联添加电源组件或使用更高功率等级的组件即可。并联添加组件还允许实现冗余操作。

构建快速启动电源系统的更好方法

使用正确的组件，设计启动时间小于 10 毫秒的隔离电源系统是可以实现的而且此类系统非常可靠。模块化电源方法能够加快设计周期，因为这些经过验证的模块在设计之初就考虑了这些规格要求。它们效率高，尺寸小，是许多军事应用的理想选择。

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