【正版新书】电子电源技术上海空间电源研究所编著科学出版社

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作者: 上海空间电源研究所编著
出版社: 科学出版社
ISBN: 9787030440792

出版时间: 2014-08
装帧: 平装
开本: 16开

作者: 上海空间电源研究所编著
出版社: 科学出版社

ISBN: 9787030440792
出版时间: 2014-08

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章绪论1

1.1基本概念1

1.2发展趋势5

第2章模拟电路基础9

2.1半导体器件9

2.2放大电路的基础31

2.3集成运算放大电路46

2.4放大电路中的反馈51

2.5模拟信号运算电路57

2.6信号处理电路66

2.7波形发生电路79

第3章数字逻辑电路基础86

3.1数制与逻辑函数86

3.2TTL基本逻辑电路106

3.3MOS基本逻辑电路125

3.4组合逻辑电路136

3.5时序逻辑电路165

3.6脉冲波形的产生与变换182

3.7模数转换和数模转换197

3.8通信总线技术207

第4章DC/DC电路基础233

4.1DC/DC电路组成基本原理233

4.2非隔离型DC/DC电路245

4.3隔离型DC/DC电路255

4.4变压器及磁性元件设计262

4.5DC/DC电路软开关技术285

4.6DC/DC控制电路设计及环路稳定性分析297

第5章电源控制设备初步设计328

5.1主电路设计基础328

5.2控制电路设计基础359

5.3航天电源器件技术395

5.4PCB设计410

5.5电源仿真技术424

第6章电源控制设备电装及测试技术451

6.1电子装联准备451

6.2电子连接技术496

6.3电子装联技术505

6.4电路调试技术520

6.5电子元器件筛选和装机电老练532

6.6设备测试技术549

参考文献561

内容摘要
第1章绪论
1.1基本概念
空间电源系统是航天飞行器上产生?储存?变换?调节和分配电能的航天器分系统，简称电源系统(electrical power subsystem， EPS)?其基本功能是通过某种物理变化或化学变化，将光能?核能或化学能转换成电能，根据需要进行储存?调节和变换，然后向航天器各分系统供电?空间电源系统的作用就是给航天器各分系统的仪器?设备提供符合技术要求的可靠的电源，使各分系统的仪器?设备能够正常地运转和工作，以完成各分系统担负的任务，从而保证航天器的任务得以实现?电源控制设备是空间电源系统的一个重要组成部分，主要负责电能的变换?调节，确保飞行器的稳定供电?
一般航天器电源系统组成框图如图1.1.1所示?由图1.1.1可知，对于较大的范围，航天器电源系统由供电系统和配电系统两大部分组成，因此，电源系统也可称为供配电系统?必须指出，所有的电源系统均包括供电系统?供电系统一般由主电源?储能电源和电源控制设备(功率调节和控制系统)组成?
图1.1.1一般航天器电源系统组成框图
电源控制设备有高可靠性?高安全性?轻量化和在使用及维护上极其简便的特点?航天电源的高可靠性要求空间电源控制设备的性能十分稳定可靠，能承受十分苛刻的环境和力学条件的考验?电源控制设备的高安全性要求电源本身要绝对安全?稳定?绝对不允许在极个别的情况下，由于电源的工作特性而发生短路?燃烧的情况，要绝对保障航天器的安全?轻量化要求电源控制设备的体积小?重量轻?在使用及维护上要十分简便，做到装上就能用?
随着航天技术不同时期的发展水平以及应用需求的不同，电源控制设备发展了多种实施方案?根据母线调节特性的不同，发展了全调节母线电路和半调节母线电路?根据全调节母线输出电压性质的不同，发展了直流母线技术和交流母线技术?直流母线又包含多种结构，如S3R型功率调节技术?混合型功率调节技术?S4R型功率调节技术?一体化功率调节技术以及MPPT调节技术等?电源控制设备产品一般分为以下几种?
① 分流调节器?分流调节器连接太阳电池阵以及卫星负载，通过脉宽调制(pulse width modulation， PWM)方式对各太阳电池阵输出电流进行分流调节，从而调整各太阳电池阵的输出功率，达到卫星负载的能量供给和稳定母线电压的目的?分流调节器由分流电路主回路?控制电路等部分组成，原理框图如图1.1.2所示?各分流单元分别采用母线电压，与基准电压比较后，输入误差放大器，从而调节各分流单元的PWM脉冲宽度，进而调整各单元的分流状态?
图1.1.2分流调节器原理框图
② 充电控制器?充电控制器有连接太阳电池阵及蓄电池组的，也有连接母线及蓄电池组的，它们都是通过PWM方式将太阳电池阵或母线的能量提供给蓄电池组以实现蓄电池组的充电?充电电路原理框图见图1.1.3?
图1.1.3充电电路原理框图
③ 放电调节器?放电调节器连接蓄电池组及母线，通过PWM方式对蓄电池组的输出进行升压或降压调节，并稳定母线电压，从而实现卫星负载的能量供给?放电电路原理框图见图1.1.4?
图1.1.4放电电路原理框图
④ 充放电调节器?由于充电控制器与放电调节器都连接到蓄电池组，为了减少电缆?降低压降?减轻重量，产生了充放电调节器，其功能及工作状态分别与充电控制器与放电调节器类似，与上述两种设备相比，具有重量轻?可靠性高等优点?
⑤ 电源控制器(PCU)?电源控制器将分流?充电?放电等功能整合在一起，实现母线电压的调节，太阳电池阵输出功率的分流调节，蓄电池组的充放电调节及卫星负载的供配电?与上述产品相比，电源控制器具有整合度高?自主控制能力强?冗余度高?重量轻?可靠性高等优点?
⑥ 电源控制分配器(PCDU)?电源控制分配器除具有分流?充电?放电等功能外，还具有整星的配电及配电保护功能?
⑦ 电池管理器(BMU)?电池管理器实现蓄电池组及单体的采用?均衡?管理保护功能?
⑧ 其他?电源控制设备除了上述常见的单机外，还有损耗器?DC/DC变换器?遥测遥控调节器?调压器切换线路盒等?
目前国内电源控制器的功率从百瓦级至万瓦级，功率质量比最高达200W/kg，母线电压覆盖28~100V?根据电源控制设备的设计要求，一般可分为两部分: 功率部分及控制器部分?
电源控制设备的功率部分一般由DC/DC变换电路构成?DC/DC变换电路是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路?这种技术广泛应用于各种开关电源?直流调速?燃料电池?太阳能供电和分布式电源系统中?20世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平?DC/DC变换器的演化过程离不开各种直流变换技术?各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化?DC/DC变换电路是电源控制设备结构中不可或缺的重要组成部分，直接关系到航天器有效载荷的在轨安全，因此消除其固有的可靠性隐患，对于确保航天器安全，增强其可靠性非常重要?由于航天器DC/DC变换电路具有不可维修性，如果其使用了有可靠性隐患的元器件或设计不合理，可靠性不高，直至经历了大量的考核试验或航天器在轨运行时才暴露缺陷，会给航天器研制单位乃至国家造成重大的经济损失?
控制电路的功能是在输入电压?内部参数?外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使电源控制设备的输出电压或者电流保持恒定?因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能十分重要?采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果?控制电路是通过调节功率级开关器件的占空比来控制功率级输出的?在电感连续导电模式(continuous conduction mode， CCM)下，d=ton/(ton+toff)=ton/T(ton为开通时间，toff为关断时间，T为周期)?按照占空比的实现方式，电源控制设备的控制方式可以分为定频控制和变频控制?定频控制即开关周期恒定不变，通过调整一个周期内开关开通的宽度来调节输出电压，即通常所说的PWM技术?变频控制有定开通时间?定关断时间?迟滞比较等几种控制方式?定开通时间控制即开关的导通时间ton不变，通过改变开关的关断时间来调节占空比?定关断时间控制则相反，开关的关断时间toff不变，通过改变开关的开通时间来调节占空比?迟滞比较的控制方式是对受控量(输出电压或电流)设定一个上限和一个下限?当受控量低于下限时开通开关，而当受控量超过上限时关断开关?因此，在这种控制方式下，开通时间和关断时间都是变化的?电源控制设备的另一种分类方式是按照检测信号的不同来分类的，可以分为单环控制和双环控制?恒压源单环控制主要是电压型控制;双环控制则有电流型?V2型等几种控制方式?随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控制?滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应用开关电源的控制电路中?虽然这些控制方法到目前没有得到广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前景可观?
电源控制设备的控制方式还可分为模拟控制和数字控制两种方式?
1) 模拟控制
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制?4.1V电池就是一种模拟器件，它的输出电压并不精确地等于4.1V，而是随时间变化，并可取任何实数值?与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围内?模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，如在{0V，5V}集合中取值?模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制?在模拟收音机中，音量旋钮连接到一个可变电阻?转动旋钮时，电阻值变大或变小;流经这个电阻的电流也随之减小或增大，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变小或变大?模拟控制可靠性高?工作频率高?继承性好，但模拟控制容易随时间?温度变换等漂移，因而难以调节?能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常大?笨重和昂贵?模拟控制还有可能严重发热，其功耗与工作元件两端电压与电流的乘积成正比?模拟控制还对噪声很敏感，任何扰动或噪声都会改变电流值的大小?
2) 数字控制
电源的数字控制，又称回路内部的处理，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法?它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器?它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息加传至系统?通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗?此外，许多微控制器和数字信号处理器(digital signal processor， DSP)已经在芯片上包含了PWM控制器?这使数字控制的实现变得更加容易?实现DC/DC电路的数字控制主要有以下两种方法?
(1) 基于单片机控制的开关电源
单片机通过外接A/D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果经过D/A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制?这种技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，而且对单片机的要求不高，成本比较低?但是控制电路要用多个芯片，电路比较复杂?单片机经过A/D和D/A转换后，有较大的延时，势必影响电源的动态性能和稳压精度?也有的单片机集成了PWM输出，但开关电源不断向高频化方向发展，一般单片机的时钟频率有限，产生的PWM输出频率和精度成反比，无法产生足够频率和精度的PWM输出信号?
(2) 基于数字信号处理控制的开关电源
通过高性能数字芯片(如DSP)对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样A/D转换和PWM输出等工作?由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，所以需要驱动芯片?这样就可以简化控制电路?这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各种复杂的控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度?
数字电路的缺点有可靠性设计难度较大，抗干扰能力较弱，环境耐受能力差，高等级的器件较难获得等?
本书主要介绍构成电源控制技术的理论基础(电路基础?模拟电路基础?数字逻辑电路基础和DC/DC电路基础)和实践体验(电源控制设备初步设计和电源控制设备电装及测试技术)?
1.2发展趋势
电源控制设备是卫星电源分系统的重要组成部分之一，其发展水平对提高卫星性能?延长卫星工作寿命起着关键的作用?航天器功能和性能的不断优化?负载容量的扩大化?运行轨道的多样化，对航天器电源控制设备的调节能力?重量?效率?可靠性，以及配置管理?故障检测与诊断等技术都提出了更高的要求，主要体现在电源控制设备种类的多样化?高效率?高比功率?高可靠性?长寿命?智能化和低成本等方面?
新一代高性能卫星平台对电源控制设备的需求主要表现在以下几个方面?
① 功率需求越来越大?“十二五”期间，在SAR成像领域，功率需求越来越大，如大型对地观察系列卫星功率需求提高到13kW，高轨通信卫星则需要提供25kW的功率?在电子侦察与对抗领域，功率需求也是有增无减?
② 电源品质要求越来越高?卫星载荷的高空间分辨率?高定位精度?高时间分辨率?高辐射精度输出必然要求电源控制设备具备更高的品质特性，包括输出直流母线具有极低的电压纹波及瞬态功率输出情况下极快的动态响应速度等特性?以28V直流母线为例，母线电压范围由原来的(28±1)V减少到(28±0.25)V，母线纹波电压由原来的约200mV降低到100mV，母线动态响应速度要求提高到10ms以内，以满足性能不断提升对母线特性的要求?
③ 轻量化设计要求越来越高?新一代高性能卫星平台对电源控制设备轻量化的要求越来越高?为了降低发射成本，增加有效载荷，卫星平台需要配备轻量化的电源控制设备?从今后长期的发展来看，电源控制设备(以控制器为例)的功率密度将由现在的120W/kg提高到250W/kg以上?
④ 寿命要求越来越长?为了降低发射成本，未来卫星的在轨寿命将越来越长，新一代卫星系统也是如此?一般的低轨卫星寿命从3年增加到5~8年，高轨卫星的寿命则从8年增加到12~15年?这就要求电源控制设备的工作寿命和可靠性也要增加?
⑤ 快速响

精彩内容
全书共分为七章，章绪论，主要介绍了电子电源基本概念和发展趋势。第二章电路基础，主要介绍了电路基本知识与基本定理。第三章模拟电路，主要介绍了各类模拟电路的计算与设计。第四章数字逻辑电路，主要介绍了各类数字电路的计算与设计。第五章DC/DC电路，介绍了基本原理、非隔离型和隔离型DC/DC电路、变压器及磁性元件设计、DC/DC电路软开关技术、DC/DC控制电路设计及环路稳定性分析。第六章电源控制设备设计初步，介绍了主电路设计、控制电路设计、航天电源器件技术、PCB电路板设计和电源方针技术。第七章电源控制设备电装及测试技术，介绍了电子装联准备、电连接技术、电子装联技术、电路调试技术、电子元器件筛选和装机电老练、设备测试技术。
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