任務關鍵型、快速啟動、隔離式電源系統的設計需要完美無缺。這些系統用于關鍵任務軍事應用，每次都需要在幾毫秒內啟動。

電子系統中電源的目的是為負載提供穩定的電壓和/或電流。關注電力系統在響應快速變化的負載和負載所需的快速變化電壓方面的性能。電源系統的輸入電壓和啟動時間考慮得更少，因為通常假設系統的電源始終存在。

但是，有些系統不存在電源，系統必須在施加輸入電源后的毫秒 （ms） 內處于活動狀態。這些系統通常需要與電源隔離，以保持接地隔離或滿足軍事規范，例如MIL-STD-704，它定義了軍用飛機與其設備之間的標準化電源接口。

例如，在許多導彈發射系統中，目標信息直到發射前片刻才被編程到導彈中。在加載目標信息之前，導彈內需要有幾個系統處于活動狀態;動力系統只是這些系統中的一個，它需要成為第一個處于活動狀態的系統來驅動所有其他系統。因此，電力系統每次都必須正確處理。

設計任務關鍵型電源系統

在設計隔離式電源系統時，有幾個關鍵需要考慮的領域，這些系統必須在施加輸入電壓后10 ms內啟動。輸入dv/dt不應超過功率元件的額定值，輸入電容不會導致源元件超過其額定值，并且輸出電容值的選擇應使系統不會進入電流限制或表現出不穩定。

許多 DC/DC 轉換器的輸入部分包括一個 LC 濾波器。如果該LC濾波器受到階躍電壓（即向電源系統施加直流電）的沖擊，LC濾波器可能會振鈴到可能損壞功率組件內部電路的電壓電平。最大輸入 dv/dt 的常見規格為 10 伏/微秒。閉合過快的機械開關或場效應晶體管 （FET） 很容易超過 10 伏/微秒的上升時間。具有電流限制的輸入濾波器可將 DC/DC 轉換器的輸入保持在輸入 dv/dt 規格范圍內。

圖1顯示了電源系統框圖，圖2顯示了典型輸入濾波器的內部結構框圖。穩壓DC/DC轉換器的輸入通常需要一個輸入電容，因為它需要看到低源阻抗并確保轉換器在線路和負載變化時的穩定性。該電容器需要緩慢充電，以免超過最大dv/dt，但速度足夠快，以幫助實現電源系統不到10 ms的啟動時間。從施加系統輸入電壓開始，圖1中的Q1關閉。在欠壓導通電平下，圖1中的電荷泵/控制模塊將開始增強Q1并提高濾波器的輸出電壓。該輸出電壓上升被控制為不超過轉換器的輸入dv/dt，并控制從電源汲取的電流。

圖1：電源系統框圖

圖2：典型輸入濾波器的內部工作原理。

電容：快速啟動電源的重要因素

為了幫助實現小于10 ms的啟動時間，濾波器必須盡可能快地為其輸出C充電。在設計快速導通時間時，最好選擇該輸出電容的最小值。最好在濾波器輸出端使用非穩壓隔離器，因為這些隔離器幾乎不需要輸入電容，它們不進行調節，因此不會影響控制環路。一個好的輸入濾波器還將包括EMI和瞬態保護，以滿足MIL-STD-461標準的EMI和MIL-STD-704和MIL-STD-1275的輸入瞬變標準。

如果在濾波器的輸出端使用隔離器，并且控制濾波器輸出上升時間，則隔離器的輸出將被控制。隔離器的輸出通過轉換器的電壓比鏡像輸入。這將使圖1所示的下游穩壓器保持在輸入dv/dd規格范圍內。調節級確實需要輸入電容來滿足源阻抗要求和穩定性，因此在確定濾波器看到的電容時需要考慮這一點。隔離器將其輸出電容反射到其輸入端，輸入濾波器將看到這一點。

電容反射是隔離器的輸出/輸入電壓比的平方乘以隔離器的輸出電容。如果輸出/輸入電壓比為1/2，隔離器的輸出電容為47μF，則濾波器的反射電容為1/2的平方，乘以47μF或11.75μF。隔離器的性能在此應用中至關重要。隔離器需要具有非常小的電感作為其動力傳動系的一部分。低電感值使電流能夠快速從輸入流向輸出，同時保持固定的輸入與輸出電壓比。一些隔離器的動力傳動系內部電感在nH范圍內。

輸入濾波器還可以防止電源超過其最大額定電流。例如，在熱插拔、機械開關或FET開關閉合等高dv/dt事件期間，濾波器將屏蔽任何電容，使其看不到這種高dv/dt。由于電源功能、連接器和通往電源的走線，電源系統電源始終具有最大額定電流。如果這些組件看到更高的電流水平，它們可能會失效或變弱并變成潛在故障。在啟動時間小于10 ms的電力系統中，電源的輸入電壓必須快速上升，因為該時序是10 ms啟動的一部分。快速啟動到電容將導致高浪涌電流。過濾器有助于減少這種浪涌。許多濾波器的浪涌額定值以每輸出μF的安培為單位。如果額定值為 0.007A/μF，而濾波器輸出端有 47μF，則浪涌電流為 0.007A*47μF 或 0.329A。

在許多應用中，電源將具有自己的輸出電容和負載電容。該電容由轉換器的輸出電壓充電。當設計啟動時間小于10 ms時，輸出電容兩端的輸出電壓上升不得導致轉換器超過其最大電流，從而導致關斷或由于電流限制而導致輸出電壓驟降。如果轉換器關閉并重新啟動，則啟動時間會延長。如果轉換器進入電流限制，則輸出電壓下降，導致上升時間延長和啟動周期延長。

考慮到這一點，最好使用盡可能小的輸出電容進行設計。對輸出電容充電的輸出電流由下式確定：I = C* dv/dt，其中I是轉換器輸出電流，C是輸出電容，dv/dt是轉換器輸出電壓上升時間。如果負載在上升期間處于活動狀態，則需要將其添加到轉換器提供的電流中。在任何一種情況下，電流都不應超過最大電流。如果電流確實超過最大值，則可以添加另一個并聯轉換器以提高該輸出的額定電流。

轉換器的輸出電容有助于保持轉換器輸出紋波較低，并有助于轉換器在工作期間保持穩定。使用具有高開關頻率的轉換器將有助于保持較低的輸出電容。高開關頻率將允許設計使用低電感和電容值，以保持負載的輸出紋波低至30 mV。典型開關頻率范圍為 500 KHz 至 1 MHz。

如圖1所示，在設計啟動時間小于10 ms的電源系統時，必須有幾個組件處于活動狀態，并保持在每個組件的功率、電壓和電流額定值內。當施加系統輸入電壓時，濾波器控制器必須喚醒并開始控制濾波器的輸出電壓，使源電流低于其最大值，并將下游轉換器保持在最大輸入dv/dt以內。當下游轉換器達到其欠壓導通電平時，其內部控制器必須喚醒并有效控制其輸出電壓，為輸出電容充電，在許多情況下還要滿足負載電流需求。

這些喚醒時間是級聯的;生成的喚醒時間必須小于 10 ms。圖3顯示了配置為啟動時間小于10 ms的電源系統的性能。該系統配置了一個隔離器和兩個非隔離穩壓器。隔離器使系統能夠在輸入和輸出之間具有單獨的接地。穩壓器啟動負載為 25 瓦和 33 瓦，而施加輸入電壓的啟動時間測量約為 4 ms。該系統具有很強的可擴展性，只需并行添加功率組件或使用具有更高功率水平的組件即可。并行添加組件還可以實現冗余操作。

圖3：電源系統配置為啟動時間小于 10 ms。

當使用正確的組件時，設計啟動時間小于10 ms的隔離電源系統是可以實現的，并且是可靠的。高效率和小尺寸使其非常適合許多軍事應用。

審核編輯：郭婷