丁 旭 ，余志勇 ，李 旭 ，金 睿

（1.火箭軍工程大學，西安 710025；2.中國航天科工集團第二研究院二十五所，北京 100854）

0 引言

二次電源系統是導引頭的關鍵供電部分，其主要功能是將一次電源的直流輸入變換成不同規(guī)格的直流輸出，用以滿足接收機、頻率綜合器等不同設備的用電需要。而其電源母線具有不穩(wěn)定性，且DC/DC變換器在直流變換中極易引入或形成各種干擾噪聲，這些問題都直接影響著導引頭上的分系統能否正常工作及通過相應的指標測試。

針對二次電源系統的性能檢測和電磁干擾（E-MI）分析，目前主要還是在產品成形后采用測試的手段，這時許多改進措施都不能加入設計中。若能對導引頭二次電源系統建立包含其電磁特性且功能齊全的仿真模型，就可以用模型代替實際系統來分析其性能［1］，同時還可以作為傳導干擾模型，對系統產生的電磁干擾進行仿真分析，預測其實際測試結果，及時發(fā)現問題［2］。這樣不僅能縮短產品的研發(fā)周期，還節(jié)省大量的人力物力。

本文利用Saber軟件建立了二次電源系統的仿真模型，其關鍵環(huán)節(jié)是對系統的國產元器件建模，運用參量化建模與Mast語言結合的方法建立了高精度、性能齊全的DC/DC變換器模型，根據元器件的功能要求、原理圖，分別建立了霍爾電流傳感器、電源濾波器模型。最后在負載滿載的情況下對系統模型進行仿真，其仿真結果體現出系統的電磁特性，對導引頭通過CE102項［3］指標測試、電磁兼容（EMC）改進具有一定的指導意義。

1 彈載二次電源系統介紹

彈載二次電源系統主要由DC/DC變換器、霍爾電流傳感器、電源濾波器及不同類型的負載組成，二次電源系統應具備以下的功能：霍爾電流傳感器對電源電路輸入電流進行采樣，并轉化為電壓輸出，以實現對一次電源輸入的監(jiān)測功能；不同型號的DC/DC變換器將+28 V的穩(wěn)壓輸入變換為±5 V、15 V及±8 V的穩(wěn)壓輸出，供給不同負載，還應具備短路保護等功能；EMI濾波器構成輸入濾波電路，對輸入串擾進行抑制，同時防止DC/DC變換器模塊產生的電磁干擾耦合到一次電源。其模型框圖如圖1所示：

圖1 二次電源系統模型框圖

2 元器件建模

2.1 DC/DC變換器模型

DC/DC變換器是實現二次電源功能的核心元器件，除完成基本的直流-直流轉換外，還應具備二次電源系統要求的電壓輸入保護、短路保護等功能［4］。導引頭二次電源系統DC/DC變換器采用脈沖寬度調制方式（PWM），具有固定的開關頻率，其內部開關管的導通和關斷是造成同頻率紋波噪聲的重要因素。本文采用參量化建模與Mast語言結合方法，以Saber軟件自帶的dcdc_1_os模板為原型，對其建模。其主要步驟如下：

1）將元器件數據手冊中規(guī)定的標稱輸入輸出參數（voutnom、vinnom）、輸入特性參數（input）、輸出特性參數（output）、瞬態(tài)響應參數（transient）輸入到dcdc_1_os模板中；

2）根據DC/DC變換器紋波特性，用Mast語言為原有模板添加ripple函數，并根據實際情況設置其開關頻率范圍，內部電容、電阻等器件的取值。添加ripple函數后的屬性框圖如圖2所示，在output項中設置參數ripplepeak、ripplefreq的值。

圖2 改進后的模型屬性框圖

2.2 霍爾電流傳感器建模

彈載二次電源系統中，霍爾電流傳感器作為一種電流檢測元件，將一次電源輸入電流值轉化為電壓輸出，用以實現對輸入電流的檢測。根據產品數據手冊要求，此處使用的霍爾電流傳感器（HDC10A）其測量電流范圍為0～±10 A，工作電壓為12 V～±15 V，可以不失真地傳遞一定頻帶內的任意波形的電流，運用宏建模的方法將Saber器件庫中的運算放大器、限幅器等器件搭接起來建立的模型如下頁圖3所示。工作時A、B端通過檢測電流，VCC、VEE端加+15 V、-15 V的工作電壓，out端接入400 Ω的輸出電阻并接地。整個模型使用var2v、var2i模塊將控制信號轉換為電信號，運用反比例放大器、out端接入電阻來實現電流的縮放和電壓的輸出。

圖3 霍爾電流傳感器模型

2.3 電源濾波器建模

二次電源系統中的電源濾波器（無源EMI濾波器）具有互異性，既可以抑制一次電源傳入的干擾，也可以減小DC/DC變換器耦合進電源線的高頻反射噪聲［5］，用以滿足GJB151B-2013（軍用設備和分系統電磁發(fā)射和敏感度要求與測量）中CE102項（電源線傳導發(fā)射）要求，減少對彈上其他分系統工作的不利影響。典型的電源EMI濾波器包含共模干擾和差模干擾兩部分的抑制電路，一般的濾波方式為差模濾波在前，共模濾波在后。

圖4為無源濾波電路的原理電路，Lx相當于差模扼流圈，與差模工作電容Cx共同構成差模抑制電路；共模電路輸入端并聯接地的電容Cy對共模噪聲起旁路的作用，Ly為共模扼流圈，其兩個線圈繞向一致，當電源輸入電流或是差模電流流過Ly時，所產生的電場可以互相抵消，從而對差模干擾和工頻電流沒有電感效應。但對共模電流來說卻相當于一個大電感，能有效抑制共模干擾［6］。在根據電路原理圖設計圖5中的電源濾波器時主要考慮了對共模干擾的抑制，而因二次電源電路設計中有多處接地，對差模干擾抑制只使用了一個濾波電容。由于彈上環(huán)境對濾波器體積的限制，僅采用兩級共模濾波電路。

圖4 無源濾波電路原理圖

圖5 電源濾波器模型

3 仿真實驗及結果分析

3.1 DC/DC變換器的仿真與分析

采用額定功率25W的28V/5VDC/DC變換器，從以下幾個方面完整地檢驗DC/DC變換器模型的功能特性：

1）輸入輸出特性。下頁圖6（a）中輸入電壓是從0～60 V線性遞增的。從輸出波形中可以得到，導通電壓vinon=15.913，關斷電壓vinoff=50.09 V，符合數據手冊輸入直流電壓：16 V～50 V的要求，DC/DC變換器具有輸入電壓保護的功能。導通期間，輸出電壓穩(wěn)定在5 V，輸出電流穩(wěn)定在5 A。

2）輸出電壓紋波特性。圖6（b）中紋波波形與實際測試相符，峰峰值約為33.2 mV，小于數據手冊50 mV的要求，輸出電壓具有較高的精度。

3）短路保護特性。在仿真實驗過程中將變換器的負載逐漸減小阻值來模擬輸出短路現象。由輸出波形圖6（c）可知，變換器在發(fā)生短路時，輸出電流增加，變換器輸出電流達到設置的最大值7.09 A后不再增加，變換器開啟輸出保護功能，電壓值逐漸降為0，模型具備系統要求的短路保護功能。

3.2 電源濾波器的仿真與分析

電源濾波器的使用原理如下頁圖7所示，其中Vin為+28 V的直流輸入電壓，DC/DC變換器的開關頻率為100 kHz，取電源線上節(jié)點n1、n2處的電壓波形進行比較。圖8中上方波形為節(jié)點n2處的電壓波形，其電壓紋波的幅值約為457μ，下方波形為節(jié)點n1處的電壓波形，電壓紋波被大大削減，幅值降為37μ?？梢娯撦d上紋波噪聲通過建立的DC/DC變換器模型耦合到電源線上；在加入電源濾波器后，耦合到電源線的高頻反射噪聲得到了有效地抑制。

3.3 二次電源系統仿真及分析

對二次電源系統添加功率滿載時的負載后，系統總線上的電流與霍爾電流傳感器反饋的電壓如圖9所示。可以看出霍爾電流傳感器能夠較為準確地反映出電源總線電流數值的變化，從而驗證了霍爾電流傳感器模型的正確性。但是由于反饋存在著延時，不能反映出圖9中上電瞬間電源總線上的浪涌電流［7］。浪涌電流會影響電源系統的正常工作，產生極大的電磁干擾，所以常在電源系統前段加入瞬態(tài)抑制器來抑制浪涌電流和電磁干擾，改善其性能。

圖6 DC/DC變換器模型特性仿真

圖7 電源濾波器使用原理圖

圖8 電源濾波器仿真實驗波形圖

圖9 電源總線電流與反饋電壓波形

圖10 系統正向輸出電壓紋波與電壓頻譜

二次電源系統的三路正向輸出電壓紋波及其頻譜如圖10所示，紋波幅值均小于40 mV，符合數據手冊要求。仿真結果體現了二次電源系統的電磁特性，從頻譜中可以明顯看出，輸出電壓為+8V、+5V、+15 V的DC/DC變換器在開關過程中產生的紋波噪聲的頻率分別為 800 kHz、600 kHz、400 kHz，這與實際設置的變換器的開關頻率相符。

根據GJB151B-2013中CE102項（電源線傳導發(fā)射）測試要求，在校準過的微波暗室中對二次電源系統進行CE102項測試，其設備連接如圖11（a），將中間的二次電源連接左側負載箱（含不同負載）以模擬導引頭正常工作（負載滿載）的狀態(tài)，同時用右側的傳導干擾測試設備LISN（線路阻抗穩(wěn)定網絡）對電源母線進行測試，測得的母線上的電壓頻譜如圖11（b），圖中紅線為CE102極限值。

圖11 導引頭電源母線CE102測試

圖12 電源母線CE102仿真頻譜

同樣在模擬負載滿載的情況下，對二次電源系統模型做CE102項仿真實驗結果如圖12所示。對比實際測試結果（圖11（b）），具有較高的相似度：頻譜均包含有開關頻率在400 k～800 k范圍內的DC/DC變換器產生的同頻反射噪聲及其諧波，使其頻譜類似于梳狀譜，信號之間均有一定的間隔；在400k～3M、7M～10M頻率范圍內仿真誤差小于10dB。但由于模型建立在原理圖的基礎上，未考慮PCB走線間的影響［8］，使得實際測試結果在3 M～6 M范圍內超標（CE102極限值）嚴重，而仿真頻譜在此頻率范圍內幾乎未超過圖中紅線。

圖13為系統添加電源濾波器改進前后對比圖，可以看出添加濾波器后（黑色頻譜）干擾電平相比未加濾波器（紅色頻譜）時明顯減小，能夠嚴格控制在CE102極限值之下。

圖13 CE102仿真頻譜與改進

4 結論

為更加方便有效地評估二次電源系統的性能，及時將改進措施加入到系統設計中。本文根據元器件數據手冊的要求，運用Saber軟件以參量化建模結合Mast語言建模的方法建立了高精度、功能齊全的關鍵元器件——DC/DC變換器模型；根據元器件的功能要求、原理圖，運用Saber軟件以宏建模的方法，分別建立了霍爾電流傳感器、電源濾波器模型，并對上述的元器件模型及整個二次電源系統模型進行了仿真實驗。仿真結果證明了模型的有效性、準確性，同時由于在DC/DC變換器建模中考慮到了其紋波特性，使得整個二次電源系統具備了較為真實的電磁特性。文章最后模擬導引頭CE102項測試，對二次電源系統總線上的傳導電磁干擾進行仿真分析，并對比加入電源濾波器前后的電源母線電壓頻譜，為導引頭通過CE102項指標測試，抑制電磁干擾提供了參考。

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