本發(fā)明涉及衛(wèi)星抗干擾天線供電系統(tǒng)，特別是涉及一種滿足機載衛(wèi)星抗干擾天線電源單元要求的電源模塊。

背景技術：

近幾年多種型號的機載衛(wèi)星抗干擾天線在設計原理上幾乎保持一致，主要包括外殼結(jié)構(gòu)、電源單元、數(shù)字抗干擾處理單元、射頻單元以及天線陣單元，主要是針對不同的機型采用了不同的外形結(jié)構(gòu)設計以及不同的軟件協(xié)議轉(zhuǎn)換和相關的抗干擾指標。對于電源單元的技術指標應用了幾乎相同的規(guī)格要求，需要電源單元輸出直流5V電壓，穩(wěn)態(tài)最大負載功耗10瓦左右，滿足GJB181A-2003和GJB181-1986中28V機載直流供電系統(tǒng)供電特性要求，包括輸入欠壓浪涌、輸入過壓浪涌、電壓尖峰、電壓瞬斷以及寬范圍直流輸入電壓等指標要求，并滿足GJB151A-97電磁兼容性相關指標要求，體積上要求盡量小，轉(zhuǎn)換效率盡量高。在之前的產(chǎn)品設計中，針對不同的產(chǎn)品型號，需要設計人員進行結(jié)構(gòu)位置劃分，協(xié)商處理各自單元的設計方式，對于電源單元來說，需要跟數(shù)字單元和射頻單元進行電源輸出接口的位置對應，還需要跟外部供電電源的輸入接口進行位置對應，如果缺乏有效全面的溝通，很容易造成位置的差池，導致連線交叉錯亂，影響整體的設計方案。而且設計師需要根據(jù)實際需要進行重新布板，增加了研制時間和研發(fā)成本，在繁瑣的布板工作中容易產(chǎn)生設計紕漏，造成設計上的浪費。另一方面，目前的電源單元采用裸板的方式進行設計，由于電源單元的大功率和高頻率特性，會影響整機的電磁兼容性指標，更會對抗干擾天線內(nèi)部的其他單元產(chǎn)生電磁干擾，造成整機的多項技術指標下降，如若處置不當，會影響抗干擾天線的抗干擾能力和衛(wèi)星信號的接收強度，進一步影響接收機的定位信息并降低定位精度。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供一種滿足機載衛(wèi)星抗干擾天線電源單元設計要求的標準電源模塊。該電源模塊輸出穩(wěn)定的直流5V電壓，最大功率可達15W，滿足GJB181A-2003和GJB181-1986中28V機載直流供電系統(tǒng)供電特性要求，可在輸入欠壓浪涌、輸入過壓浪涌、電壓尖峰、電壓瞬斷的機載供電特性試驗中保持穩(wěn)定的5V輸出，輸入電壓范圍為18～34V，滿足寬范圍直流輸入電壓的指標要求，內(nèi)置EMI濾波電路，可滿足GJB151-97電磁兼容性相關指標要求，體積較小，長寬高為70×25×10（mm），帶載轉(zhuǎn)換效率可達88%，不需要額外的散熱裝置。通過模塊四周的四個法蘭孔，與整機進行固定。輸入及輸出接口采用標準的J30J接插件，具有物理防錯插的兩種型號，防止輸入輸出接反。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，所采取的技術方案是：一種滿足機載衛(wèi)星抗干擾天線電源單元要求的電源模塊，其特征在于：包括金屬屏蔽外殼、輸入接插件、電路板和輸出接插件，電路板密封在金屬屏蔽外殼內(nèi)，輸入接插件和輸出接插件分別固定在電路板的兩端；所述的電路板上裝有自恢復式過流保護電路A、防反接保護電路B、直流濾波電路C、尖峰電壓吸收電路D、浪涌電壓吸收及過壓保護電路E、濾波蓄電電路F、欠壓保護設置電路G和直流電壓轉(zhuǎn)換電路H；其電路連接為：輸入接插件與防反接保護電路B連接、防反接保護電路B與自恢復式過流保護電路A連接、自恢復式過流保護電路A與直流濾波電路C連接、直流濾波電路C與尖峰電壓吸收電路D連接、尖峰電壓吸收電路D與浪涌電壓吸收及過壓保護電路E連接、浪涌電壓吸收及過壓保護電路E與濾波蓄電電路F連接、濾波蓄電電路F與欠壓保護設置電路G連接，欠壓保護設置電路G與直流電壓轉(zhuǎn)換電路H連接，直流電壓轉(zhuǎn)換電路H與輸出接插件連接。

本發(fā)明的特點是：采用密封式金屬屏蔽外殼以及金屬接插件將電路板包裹在其中，蓋板與盒體連接處，留有“深縫隙”結(jié)構(gòu)，保證其具有良好的電磁屏蔽性，并通過填隙導熱材料，使整個殼體形成大面積散熱，使產(chǎn)品具有良好的熱設計，無需增加外部散熱。在電氣性能上可滿足多種型號的機載衛(wèi)星抗干擾天線的電源單元的指標要求，保護功能齊全。輸入輸出接口采用9針彎插式J30J金屬接插件，與金屬外殼良好接觸，形成完好的電磁屏蔽性，并具有輸入輸出防錯插功能。該電源模塊結(jié)合了多種型號的機載衛(wèi)星抗干擾天線的電源單元的設計指標于一體，可替代其電源單元，在產(chǎn)品的批量生產(chǎn)調(diào)試以及新品的研制中，都可以有效的降低調(diào)試人員以及設計人員的工作量，保證電源指標的準確性及一致性，可提高生產(chǎn)效率、縮短研發(fā)周期，并降低生產(chǎn)經(jīng)費以及研制經(jīng)費。本發(fā)明采用螺釘固定接插件的方式與外部輸入輸出進行連接，并采用緊固件固定法蘭孔的方式安裝固定，無需電烙鐵進行焊接，拆卸方便，具有較好的可更換性。本電源模塊可適用于多種型號的機載衛(wèi)星抗干擾天線的電源單元設計需求，安裝方便，使用簡單，可作為通用性電源模塊，為各種型號的衛(wèi)星抗干擾天線進行配套，由專職人員進行生產(chǎn)調(diào)試，保證產(chǎn)品的功能良好和一致性，將抗干擾天線的電源單元統(tǒng)一應用該電源模塊，可最大限度的降低生產(chǎn)和調(diào)試經(jīng)費。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的外形圖；

圖2為圖1的爆炸圖；

圖3為本發(fā)明的電路連接框圖；

圖4為本發(fā)明的電路原理圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本設計包括金屬屏蔽外殼、電路板3、輸入接插件4和輸出接插件5，電路板3密封在金屬屏蔽外殼內(nèi)，輸入接插件4和輸出接插件5分別通過螺釘和螺母固定在電路板3的兩端；電路板3上裝有自恢復式過流保護電路A、防反接保護電路B、直流濾波電路C、尖峰電壓吸收電路D、浪涌電壓吸收及過壓保護電路E、濾波蓄電電路F、欠壓保護設置電路G和直流電壓轉(zhuǎn)換電路H；其電路連接為：輸入接插件4與防反接保護電路B連接、防反接保護電路B與自恢復式過流保護電路A連接、自恢復式過流保護電路A與直流濾波電路C連接、直流濾波電路C與尖峰電壓吸收電路D連接、尖峰電壓吸收電路D與浪涌電壓吸收及過壓保護電路E連接、浪涌電壓吸收及過壓保護電路E與濾波蓄電電路F連接、濾波蓄電電路F與欠壓保護設置電路G連接，欠壓保護設置電路G與直流電壓轉(zhuǎn)換電路H連接，直流電壓轉(zhuǎn)換電路H與輸出接插件5連接。

如圖2所示，本設計的金屬屏蔽外殼包括殼體1和蓋板2，電路板3的兩端分別留有用于裝配接插件的安裝孔，殼體1底部對稱設有一體式四個法蘭6，將兩端分別固定有輸入接插件4和輸出接插件5的電路板3固定在殼體1上，將蓋板2與殼體1裝配為一體。

如圖3和圖4所示，輸入接插件4采用J30J-9ZKWP7-J接插件X1，輸出接插件5采用J30J-9TJWP7-J接插件X2，浪涌電壓吸收及過壓保護電路E采用LTC4366-2芯片U1，直流電壓轉(zhuǎn)換電路H采用LMZ14203芯片U2，其中，接插件X1的1腳和2腳通過自恢復式保險絲F1連接肖特基二極管D1的正極，肖特基二極管D1的負極連接電感L1和電容C1的一端，電容C1的另一端連接電感L2的一端，同時連接至接插件X1的3腳和4腳，然后一起接地；電感L1和電感L2的另一端連接電容C2，同時電感L1和電感L2的另一端又連接雙向瞬態(tài)抑制二極管D2，雙向瞬態(tài)抑制二極管D2的一端連接至MOS管M1的漏極，同時又通過電阻R1連接至芯片U1的VDD腳和SD腳，MOS管M1的柵極通過電阻R5連接至芯片U1的GATE腳；電容C3的一端連接至芯片U1的TIM腳，電容C3的另一端連接至芯片U1的Vss腳和BASE腳，并通過電阻R2接地，同時芯片U1的BASE腳通過電容C4連接電阻R3的一端及芯片U1的OUT腳，電阻R3的另一端連接至芯片U1的FB腳，并通過電阻R4接地；芯片U1的OUT腳又連接至MOS管M1的源極，并通過雙向瞬態(tài)抑制二極管D3、電容C5分別接地，同時又連接電阻R7、電阻R8和電容C6的一端及芯片U2的VIN腳，電阻R8的另一端連接至芯片U2的RON腳，電阻R7的另一端與電阻R6的一端連接至芯片U2的EN腳，同時又連接至接插件X1的5腳和6腳，電阻R6的另一端接地；電容C6的另一端和電容C7的一端連接至芯片U2的GND腳，電容C7的另一端連接至芯片U2的SS腳，電容C8和電阻R9的一端連接至芯片U2的FB腳，同時又與電阻R10的一端連接，電阻R9的另一端連接至芯片U2的VOUT腳，同時又與電容C8的另一端連接，然后又與電容C9和電容C10的一端連接，連接后又一起連接至接插件X2的1腳、2腳和3腳，電阻R10、電容C9和電容C10的另一端連接至接插件X2的4腳、5腳和6腳，接插件X2的7腳、8腳和9腳分別連接至接插件X2的7腳、8腳和9腳。

本設計物理安裝：本設計外部只有金屬屏蔽外殼和金屬接插件，電路板在腔體內(nèi)部通過螺釘固定在殼體上，螺釘安裝時涂適量螺紋緊固劑，蓋板與殼體連接處留有“深縫隙”結(jié)構(gòu)，保證電磁屏蔽性能；同時，PCB板上較大的元件和發(fā)熱器件可增加適量導熱硅橡膠，使整個電源模塊滿足相關振動要求，形成良好的抗振設計，PCB板上的發(fā)熱器件與外殼通過導熱填隙材料相連，使整個殼體形成大面積散熱，達到良好的熱設計。輸入和輸出兩個接插件分別從殼體兩端的匹配開槽處穿過，通過殼體的卡槽式設計并安裝導電橡膠條，可將整個電路板密封于金屬外殼和金屬接插件中，使整個電路板具有完整的電磁屏蔽性。外殼四周設置了四個法蘭盤，可通過其中的四個螺釘孔將電源模塊進行安裝固定。使用中僅需要通過物理方式插拔接插件對應的插頭即可，而且輸入和輸出接插件采用了兩種不同的型號，具有物理防錯插功能，使用方便快捷。

本設計電路工作原理： 輸入前端設置自恢復式保險絲F1和肖特基二極管D1，以實現(xiàn)輸入過流保護功能和GJB181B-2012中新增的長時間輸入防反接保護功能，可以保證后續(xù)的蓄電電路可以有效的應用于其后端的負載電路；并可以在其后端并聯(lián)于正負極之間的器件發(fā)生過流或者短路故障時，防止對供電系統(tǒng)造成不可恢復的損壞，又能在過流或者短路故障消失時，自動恢復到正常工作狀態(tài)。

直流濾波電路采用兩個電感配置合適的濾波電容組成一級直流濾波電路，以滿足GJB151-97電磁兼容性中規(guī)定的CE102指標要求，并配合完成其他傳導發(fā)射類電磁兼容性試驗要求，并能削弱GJB181-1986機載供電特性規(guī)定的600V電壓尖峰的峰值電壓和GJB181A-2003機載供電特性規(guī)定的400V電壓尖峰的峰值電壓，以便后續(xù)電路更好的抑制掉尖峰電壓和各種超限的電壓噪聲。

尖峰電壓吸收電路采用1500瓦的雙向瞬態(tài)抑制二極管，其關斷電壓85V，擊穿電壓95V，箝位電壓137V，電壓箝位啟動時間1ps，可將經(jīng)過濾波器削弱的電壓尖峰箝位到137V，再通過后續(xù)的浪涌電壓吸收電路將尖峰電壓徹底吸收掉。

浪涌電壓吸收及過壓保護電路采用以凌特公司生產(chǎn)的型號為LTC4366-2的控制芯片為主體，并輔以大功率MOS管、雙向TVS管和外圍阻容器件共同完成該保護功能。此芯片采用堅固型浮動拓撲結(jié)構(gòu)，具有較小的體積和良好的穩(wěn)定性，輸出箝位電壓和過壓保護定時器具有外部可調(diào)的特點，可根據(jù)設計需要調(diào)節(jié)箝位電壓點和過壓持續(xù)時間。

針對GJB181-1986和GJB181A-2003供電特性的相關要求，需要電源模塊吸收80V和50V的電壓浪涌。在本電路設計中，將箝位電壓設定為36V，過壓持續(xù)時間設置為100ms。芯片U1的反饋輸入點FB對OUT引腳的電壓為1.23V。

設定電阻R3為標稱阻值12.4K，在其兩端分配1.23V的壓降，其對地電流約為0.1mA，則電阻R4兩端分配的電壓：

U=36V-1.23V=34.77V，

R4=U/I=34.77V/0.1mA≈348K。

本應用通過設定電容C3的容值來設定過壓持續(xù)時間，在GJB181-1986供電特性中，過壓浪涌持續(xù)時間為50ms，考慮到實際應用和功率MOS管的承受過壓能力，因此將過壓持續(xù)時間限定為100ms，當過壓持續(xù)時間超過設定值時，即可通過芯片U1內(nèi)部的模擬控制電路致使MOS管M1的柵極關斷電壓輸出，從而實現(xiàn)過壓保護功能。電容C3的充電電流I按照芯片U1給定值9uA計算，充電電壓上限U為2.5V，當電容C3充電完畢后，即可實現(xiàn)上述功能。C3=I×T/U≈360nF，因此設定電容C3容值為標準的330nF，可以滿足設計要求。

通過以上對電阻R3、電阻R4和電容C3的設定，可將過壓浪涌箝位在36V，以達到吸收過壓浪涌的作用，當過壓持續(xù)時間超過100ms時，可關斷電壓輸出，保證后續(xù)電路安全穩(wěn)定工作。

芯片LTC4366-2內(nèi)置了9秒的冷卻定時器，當過壓持續(xù)時間超過了100ms，關斷了電壓輸出9秒后，芯片U1將執(zhí)行自動重試操作，當故障消失后，可自動恢復正常的電壓輸出，如過壓故障依然存在，則繼續(xù)保持輸出關斷，應用該功能得以實現(xiàn)自恢復式過壓保護功能。

在過壓浪涌期間，超出箝位電壓的壓差都承受在N溝道MOS管M1兩端，600V電壓尖峰由于持續(xù)時間較短，功率較小，所以在浪涌吸收電路前端設置了瞬態(tài)抑制二極管，將其峰值電壓箝位在137V，80V浪涌電壓持續(xù)時間較長，功率較大，需要完全通過MOS管源極和漏極兩端承受，在產(chǎn)品應用中，考慮到產(chǎn)品的高可靠性，因此選擇耐壓為200V，最大電流為24A的功率MOS管，以保證足夠的安全性和耐用性，并選擇最小體積的產(chǎn)品來保證實際的PCB布局空間。

芯片LTC4366-2的反應時間有1us的時間延遲，為了做到無縫連接吸收尖峰電壓，在浪涌吸收電路末端設置了一個箝位電壓40V的雙向瞬態(tài)抑制二極管，雙向瞬態(tài)抑制二極管的啟動時間量級為10^-12S，常規(guī)的儀表根本捕捉不到這么短時間的電壓尖峰，因此通過該設置，基本可以達到尖峰電壓信號的無縫連接吸收，最大程度上保護后續(xù)的電壓轉(zhuǎn)換電路不受電壓尖峰的影響。

濾波蓄電電容主要是應對某些產(chǎn)品要求中提出的200us電壓瞬斷的要求，根據(jù)公式C=I×T/ΔU，產(chǎn)品的工作電流I=1A，瞬斷持續(xù)時間T=200us，電壓轉(zhuǎn)換電路的最低工作電壓為7V，

電壓變化量ΔU=28-7=21V，算得C=I×T/ΔU≈9.5uF。

因此選用50V耐壓，22uF容值的電容作為此應用中的蓄電電容使用。

欠壓保護設置電路是通過芯片U2的使能端EN引腳提供的參考電壓和電阻R6、R7對輸入電壓的分壓比較完成的。芯片U2的使能端提供了精確的1.18V帶隙上升閾值電壓。

根據(jù)計算公式R7/R6=(VinL/1.18)-1，

設定欠壓保護臨界點VinL=7V，R6=13.8K，

算得R7=68.1K。

通過此設定，當輸入電壓低于7V時，可以截止電壓輸出，防止輸入電流過大造成設備前端損壞，并可以滿足GJB181-1986規(guī)定的8V/50ms欠壓浪涌的需求以及配合完成200us電壓瞬斷的指標要求，保證產(chǎn)品在此非正常供電期間可以正常穩(wěn)定工作。

直流電壓轉(zhuǎn)換電路圍繞TI公司生產(chǎn)的型號為LMZ14203的芯片完成電路設計，該電路轉(zhuǎn)換效率高達90%，最大輸出功耗可達18W，輸入電壓范圍6至42V，輸出電壓范圍0.8至6V，內(nèi)置開關管，集成屏蔽式電感，具有很低的電磁干擾輻射，電壓輸出紋波低至10mV，相對于其他的電壓轉(zhuǎn)換電路具有很強的優(yōu)勢，因此將該電路應用到本設計中。其中電容C6為電路前端的濾波電路，為后續(xù)電路工作提供穩(wěn)定的輸入電壓；芯片U2（型號為LMZ14203）為電源轉(zhuǎn)換的主體芯片，為其他電路部分提供輸入欠壓保護基準信號、輸出電壓基準信號和軟啟動時間控制信號，并具有輸出短路保護功能，為該電路的核心集成電路，是電壓轉(zhuǎn)換電路的核心部分；經(jīng)過前端保護電路處理后的電源輸入接入U2的VIN引腳，開始進行電壓轉(zhuǎn)換；電阻R8為導通時間設置電阻，電阻R8和芯片U2的RON引腳構(gòu)成導通時間設置電路，通過改變R8的阻值可以調(diào)節(jié)導通時間的長短；電容C7與芯片U2的SS引腳構(gòu)成軟啟動時間設置電路，通過芯片U2的SS引腳向電容C7充電來實現(xiàn)軟啟動功能；電阻R9、電阻R10與芯片U1的FB引腳構(gòu)成輸出電壓設置電路，通過調(diào)節(jié)電阻R9和電阻R10的比值大小來設定輸出電壓值，F(xiàn)B引腳提供了0.8V的基準電壓，通過計算式：VOUT=0.8×(1+R9/R10)，設定R10=6.8KΩ，輸出電壓VOU=5V，得出R9=35.7 KΩ，以滿足5V直流電壓輸出；電容C10作為電路輸出端的濾波電路，與芯片U2的VOUT引腳連接，為后續(xù)負載電路提供穩(wěn)定的5V直流工作電壓。