摘要：根据某地面采样设备的供电部分需求，采用隔离式单电源DC-DC模块DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片，设计了一种将外部供电电压27V分别转换成5V/12V的二次电源,解决了供电电压不匹配的问题。设计了电源转换的硬件实现电路，给出了详细的电路设计原理图。利用软件进行了PCB设计，具有更高的抗干扰性能。最后设计实验通过对输出电压进行了实际测量，总结分析了测试结果。电路测试结果表明，此电源转换电路具有稳定的输出电源电压以及稳压精度。
关键词：二次电源；电路；PCB；设计
无人机地面采样设备能够在无人机测试运行期间，对其各项指标数据进行实时采集。数据实时采集后，传输给小型监控站进行数据分析处理，根据分析处理结果，执行下步动作。地面采样设备由无线网络传输、数据采集处理等模块组成，通过串口与无人机综控机连接，进行实时数据交互。无线网络传输模块使用MDSSD4数传电台进行无线网络通信，工作电压为+12V。数据采集处理模块是以DSP芯片为核心的电路板，工作启动电压为5V。而无人机母线电压为+27V，因此需解决无人机母线电压与DSP电路板和无线数传电台供电电压不匹配的问题。文中设计的电源转换模块根据外部电压和数据采集处理、无线传输模块电压进行电压转换。外部电压经DC-DC变换后，获得采集模块和无线传输通信设备所需的启动电压，从而满足系统正常工作需要。
1.电源转换设计方案
针对某地面采样设备中所需电压与外部供电电压不匹配的问题，采用DC-DC电压转换芯片将外部二次电源进行转换。二次电源转换是指将外部电源电压转换为地面采集设备电压，直接提供给该采集设备中的DSP芯片以及无线通信设备使用。电源转换是变流系统（变频器、逆变器、UPS、有源滤波器等）工作的桥梁纽带。外部电压源一般为无人机母线提供的27V电压，通过线缆连接在地面采集设备上。经电压转换芯片进行电压中间转换后，降压至5V/12V。转换后的5V电压提供给采集模块，12V电压提供给无线传输模块。
2.硬件电路原理图设计
二次电源转换模块由两部分组成，一部分为27V转5V芯片；另外一部分是27V转换12V芯片。电压转换芯片选用新雷能公司电源模块DPBL16-W24S5和DPE75-24S12芯片，可将27V电压分别转换成5V/12V的工作电压。该芯片广泛应用于通信网络设备、工控设备、仪器仪表、各类集成电路（DSP、FPGA、ASIC）供电应用。芯工作时，需要频繁的使用电源芯片，将会导致电源的开关效应[2]，为此电源模块设计去高频噪声和滤波。在芯片的电源输出端并联330μF的电解电容，能够起到蓄能、去噪声的作用，将会有效降低电源电路上的开关噪声[1]。在每个元器件电源输人端和地之间都需要安装去耦电容。去耦电容应尽可能靠近电源引脚安装，以更好的滤除集成电路开关噪声。去耦电容可以为集成电路进行蓄能，也可以旁路掉该器件的高频噪声。电容太大不能保证电容提供髙频电流的能力，电容过小又不能有效消除电源线上的噪声。
针对纹波噪声要求不严格的芯片电路中的去耦电容也可选用典型的去耦方案，即电压转换芯片的输入和输出端均并联 0.1 μF 和 10 μF 电容。针对该系统，一般微法数量级的电容时间跌落都在微秒级别，这种延迟对系统影响基本不大，用于滤除高频噪声。0.1 μF的陶瓷电容用作去耦电容，10 μF 的钽电容用作低频滤波。这两种电容都有较低的 ESR 和 ESL[4]，电路产生纹波噪声较小，对电路性能影响不大，二次转换电源模块电路原理如图1所示。
二次电源电路板选用4层板，采用TOP-POW⁃ER-GND-BOTTOM的层次设计，以电路板中点为中心，将两芯片与330μF的电容均衡布设在电路板上，在各层上进行布线，电源线做到20mil的线宽。将元器件接口布设的距离串口近些，尽量减少走线的距离。焊盘印制板导电层铜皮厚均为70μm，而常用的铜皮厚度为35μm。更厚的敷铜提高了电流承载能力，减小了电路阻抗，可以进一步优化电路工作可靠性和信号完整性。过孔为1.27mm/0.7mm（50mil/28mil），安装孔径比实际尺寸要大0.2mm，即1.47mm/0.9mm。
4.散热设计
电源模块考虑其芯片发热特性，在该转换模块外部壳体采用紧贴式散热设计，将电源模块芯片与外部壳体物理贴紧，有利于电源散热，以提高电源使用寿命。具体设计为材质采用不锈钢材，导热性能较好。二次电源转换电路板外壳处设置两处“回 形”凸起 5 mm，使其与电源模块芯片进行物理接触散热。
5 .测试结果分析
由于输入电压为高电平，所以测试中将稳压电源的输入端接在外部电源端，稳压电源输出端接在示波器的输入端，示波器负极接地，此时就会产生电源输出端和地端正的输入电压，示波器显示稳压电源输出电压信号。分别将两个稳压芯片的输入端分别接入 20 V/25 V/27 V/30 V/35 V 外部电压，利用示波器测量此时输出电压。此测试目的是验证在不同输入电压值实现的电源模块的稳压精度,以及在额定输入电压下二次电源转换模块输出电压的稳定性。分别接入不同输入电压值，采集得到相应的输出电压曲线如图3。
结论：
此电源可以实现电源二次电压值的转换。输入电压为 27 V 时，DPBL16-W24S5 和 DPE75-24S12 芯片输出电路最大输出电压分别为 5.001 V 和 12.003 V。电源输入电压在 20～35 V 之间变化时，测量输出端电压，由表2中的记录结果可得，电路的电压调整率均不大于 0.2%，当输入电压变为 35 V 时，输出电压最大为12.1 V，可看出输出电压较稳定。
参考文献
[1]黄玉芳.电动汽车的直流快速充电 ZVS 控制研究[D]．贵阳：贵州大学，2017．
[2]柯伟青.基于氧化锌薄膜的电阻开关特性研究[D]. 杭 州：杭州电子科技大学，2010.
[3]赵娜，杨楠.高速DSP系统PCB的电磁兼容设计研究[J].弹箭与制导学报，2016，3（4）：10-12．
[4]塔恩 T 坦 .高速 DSP 系统电磁兼容设计[M]. 北京：机械工业出版社，2012.
论文作者:苏新越
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年10期
论文发表时间:2019/10/30
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