6.2.2　电源转换方式

6.2.2　电源转换方式

6.2.2.1　常用电源转换电路芯片

星载嵌入式计算机的电源转换电路主要利用开关电源、点负载电源、线性稳压器等芯片来实现，常用的电源转换电路芯片包括开关电源、点负载电源、线性稳压器等。

1）开关电源

开关电源（switching mode power supply）又称交换式电源、开关变换器，是一种高频电能转换装置。其功能是将一个基准的电压，通过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。根据输入及输出电压形式的不同，包括交流-交流（AC/AC）变换器、交流-直流（AC/DC）变换器、直流-交流（DC/AC）变换器、直流-直流（DC/DC）变换器。与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于开关晶体管工作于开关状态，效率较高。

根据星载嵌入式计算机的工作环境，开关电源通常指直流-直流（DC/DC）变换器，它由功率金属氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）、各种模拟和数字电路如脉宽调制器（PWM）、二极管和其他维持电路等组成，中心电压是28～42 V，宇航型号的变换器电压输入范围应涵盖母线电压，常用的是28 V±20%V、42 V±20%V。开关电源通常配合滤波器使用，将整星一次电转换为单机使用的二次电。开关电源工作原理如图6- 2所示。

图6-2　开关电源工作原理示意图

2）点负载电源

点负载电源（point of load）简称“点电源”，常用于分布式、多功能性的PCB板卡设计中，是一种微功率的电源模块。点电源具备高转换效率特性，内部集成双N沟道MOS管的同步降压转换器。在星载计算机设计中，多选择带有扩展性的功能元件，元件多且杂，考虑到电路与结构上的多样化与兼容性，无法直接通过高隔离的DC/DC模块进行电压转换，因此，选用点电源给内部FPGA、MCU、ASIC、AD/DA等负载供电。

星载嵌入式计算机内部，以DC/DC输出的二次电源作为点电源的总线电压，根据各个功能器件的要求，选用点电源进行三级转换，给后端的功率元件供电，保证产品的兼容性、稳定性与转换效率。点电源工作原理如图6- 3所示。

图6-3　点电源工作原理示意图

3）线性稳压器

线性稳压器（linear regulator）使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调解的输出电压。星载嵌入式计算机常选用低压差线性稳压器（low dropout regulator，LDO），低压差线性稳压器通常采用功率晶体管作为PNP，功率晶体管允许饱和，所以LDO具备一个非常低的压降。由于LDO外围元器件较少，通常只需要几个旁路电容，且芯片具备输出电压稳定、低输出纹波和低噪声等特点，因此，针对内部输入电压和输出电压接近的工况，通常选用LDO芯片进行电压转换。

星载嵌入式计算机内部各个功能模块，以及CPU、FPGA、PROM等核心器件通常需要多挡不同电压的输入进行驱动。因此，星载嵌入式计算机内部将LDO与DC/DC配合使用。LDO将DC/DC输出的二次电转换成计算机内部芯片所需的3.3 V、2.5 V、1.8 V等多挡电压。线性稳压器工作原理如图6- 4所示。

图6-4　线性稳压器工作原理示意图

LDO常用于星载嵌入式计算机内部数据采集、AD变换等电路中。根据星载嵌入式计算机应用场合，确定核心参数，按照需求选择合适的LDO器件。为了降低LDO器件的功耗，应在满足最大输出电流的情况下，尽可能选用低压差或超低压差的LDO器件。对系统待机功耗有较高要求的，应选择静态电流小的LDO器件。

6.2.2.2　特性对比分析

星载嵌入式计算机电源系统根据电源应用场景、应用约束不同，选取合适的器件。三类电源器件特性对比分析见表6- 1。

表6-1　电源器件特性对比

根据各种电源转换芯片的特性，星载计算机通常采用DC/DC变换器，它利用了磁场储能，无论升压、降压还是两者同时进行，都可以实现相当高的变换效率。与LDO相比，尽管它要求更大的电路板面积，但是对于需要大电流的应用场景来说却十分理想。由于变换效率高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是与LDO器件相比，它常常不需要附加一个成本较高、面积较大的散热器。考虑DC/DC变换器集成有场效应管，使用时只需外接输入、输出电容便完成整个电路的设计，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。

LDO只适用于降压变换，具体效果与输入/输出电压比有关，一般用于低压差稳压变换场景。根据负载电阻的变化情况从基本原理来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其可简化看作输出与输入电压之比。如今很多厂商都提供适合FPGA应用的低电压、大电流LDO芯片，比如TI的TPS755XX系列为5 A电流输出、TPS759XX系列为7.5 A电流输出；Linear的LT1585/A系列为5 A、10 A输出；National的LMS1585A系列也为5 A输出。宇航用LDO电源芯片选用MSK公司和ST公司的器件较为普遍。若选用的LDO同样用于其他数字芯片供电，则须根据使用电流情况选用合适的电流输出芯片。由于宇航产品对抗辐照指标有一定要求，若用于高轨卫星，则建议选用抗辐照指标较高的ST公司的低压差电源芯片。LDO芯片所占面积仅为几个平方毫米，只要求外接输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，LDO输出纹波很小，可以起到电源滤波作用。不过随着LDO的输入/输出电压差别增大或输出电流增加，LDO的发热比也会按比例增大，所以，在设计时需要考虑器件散热问题。

点电源本质上是一个分离式的电源转换电路，与开关型DC/DC电源不同的是，除了在选用合适的PWM控制器、FET驱动器、功率晶体场效应管、电感器外，设计师往往需要开发一个补偿电路，根据星载计算机中各类FPGA、ASIC、AD/DA负载的供电要求进行设计，通过不断调整以满足负载功率效率与输出电压要求。另外POL的输入端不应有明显的尖峰过冲现象，尖峰过冲值原则上不能超过7 V。星载计算机通常考虑电源工作条件、降额、抗静电、抗机械振动及热应力、抗空间辐照等指标进行点电源的选型。