【技术】解析卫星使用DC-DC变换器的可靠性设计
卫星用DC-DC变换器的高可靠和长寿命，是确保其完成飞行使命的基本条件之一。但人们对DC-DC变换器可靠性的认识通常集中在元器件固有质量或产品组装工艺缺陷方面，往往忽略了系统设计（包括技术方案和电路拓扑设计、输入/输出接口设计、环境试验条件适应性设计等）缺陷和电压、电流和温度应力对可靠性的影响。 爱浦电子在本文中对卫星使用DC-DC变换器的可靠性设计进行了详细的讲解。
据美国海军、电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自的百分比如表1所示。
表1. 整机故障的原因统计
日本的统计资料表明，可靠性问题的80％来源于设计方面（日本把元器件的选型和质量等级的确定以及元器件的负荷能力等都归入设计上的原因）。国产星用DC-DC变换器虽然在轨试验中尚未出现失效现象的历史记录，但在地面试验中，已经有过不少的故障归零报告，基本上属于设计缺陷。
以上统计数据表明，控制和减少由于技术方案选择、电路拓扑设计以及元器件使用设计原因所造成的DC-DC变换器故障，具有重要意义。
一、DC-DC变换器供电方式的选择
DC-DC变换器供电方式的不同，对整个供电系统的可靠性有重大影响。卫星用DC-DC变换器的配电系统一般有两种方式：集中式供电和分布式供电。
集中式供电的优点是DC-DC变换器数量少，有利于控制和减少电源的体积和重量，同时简化了一次电源到DC-DC变换器之间的重复布线。缺点是电源的多负载，很难保证电源的输出伏安特性满足每个负载的要求。
分布式供电系统的优点是DC-DC变换器靠近供电负载，在减小传输损耗的同时提高了动态响应特性，这是解决低压大电流（如2V/20A）问题的必须和唯一技术途径。这种供电方式的基本特征是将负载功率或负载特性分解，分担给多个、电源模块来承担。
从可靠性模型上来说，分布式供电系统的多个DC-DC变换器属于可靠性并联系统，容易组成N+1冗余供电，扩展功率也相对容易。所以，采用分布式供电系统，能够满足航天电源产品的可靠性方案设计要求。目前，国产卫星DC-DC变换器拓扑结构，基本上实现了从分系统共用一个结构模块电源的集中供电方式，过渡到采用通用化、模块化、小型化的“三化”电源产品的分布式供电。
因此综合考虑用电系统的具体需求，选择合理的供电方式对提高DC-DC变换器供电系统的可靠性具有至关重要的意义。
二、电路拓扑的选择与设计
可供卫星DC-DC变换器功率变换选用的基本电路拓扑有8种，分别是单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式、双正激式、双管正激式、半桥式、全桥式。
前6种拓扑功率开关管在关闭时要承受2倍输入电压。考虑到输入电压的变化范围和电磁干扰电压峰值，并要留有一定的安全余度，功率开关管的耐压值，需要达到输入额定电压的4倍以上。例如，当输入母线电压+42V时，功率管的漏源电压应该为200V。
推挽和全桥拓扑有可能出现单向磁偏饱和现象，主要是两路功率开关轮流导通时不完全对称，使充磁和退磁的两个伏秒面积不等而造成的。一旦出现该现象，一只功率管会首先损坏。近年来，在国外对推挽拓扑的单向磁偏所进行的专题研究中，发现功率开关采用性能参数一致性好的MOSFET，就可以消除单向磁偏饱和现象。原因是MOSFET的导通损耗具有正温度特性，可实现自动温度平衡的功能，将自动维持两管伏秒面积的等值性。这些结论，我们已经在多颗卫星DC-DC变换器试验中得到了验证，应该说只要实施有效的可靠性技术措施，推挽拓扑的大电流、高效率、高可靠优势会充份地发挥出来。
理论分析和实践结果表明，半桥拓扑具有自动抗不平衡的能力。一般认为，500W以下，双管正激和半桥拓扑具有较高的安全性和可靠性。
单端反激拓扑不适用于负载电流大范围变化的情况，空载时的输出电压也会明显增高。目前，国内外广泛采用外接电阻负载克服空载失控现象，但这会降低电源效率。由于电源输出功率与外接电阻值成反比关系，因此，单端反激拓扑只适用于输出功率较小的场合。
三、失效模式及影响分析（FMEA）
失效模式及影响分析是指，在产品设计过程中，对组成产品的所有部件、元器件可能发生的故障造成的影响进行分析，并规划纠正措施。
元器件的故障模式参照GJB电子设备可靠性预计手册。分析中不考虑无关的双重故障，但考虑单一故障引起的连锁影响，即二次故障。
由于航天器DC-DC变换器的高可靠要求，供电系统不允许单点故障的存在，因此一般要考虑备份冗余设计。但不是说考虑了备份冗余以后，进行FMEA的结果就不存在单点故障。因为，往往表面上看不是单点故障的失效模式，深入分析后就会发现由于共阴模式的存在而导致单点失效。
图1.
● 降额设计
因电子产品的可靠性对电应力和温度应力较敏感，故而降额设计技术对电子产品则显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成部分。按照GJBZ35-93的要求，航天器所用元器件的所有参数必须实施Ⅰ级降额。
DC-DC变换器中所用元器件种类较多，有阻容器件、大功率半导体器件、电感器件、继电器、保险丝等，针对不同器件要分析需要降额的所有参数，且要综合考虑。而且，对同一器件不同参数做降额时要考虑参数之间的相互影响，即一个参数作调整时往往会带来其他工作参数的变化。对半导体器件，即使是各参数均降额了，最终还要归结到结温是否满足降额要求。
降额设计要建立在对电路工作状态认真分析的基础上，确认达到预期效果。例如，对电容器额定电压的降额，由于器件特性的差异（如漏电流、RSE等)，简单串联后并不能完全满足降额要求。
● 热设计
产品研制经验告诉我们，热应力对电源可靠性的影响往往不亚于电应力。电源内部功率器件的局部过热，包括输出整流管的发热，很可能导致失效现象发生。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加，当达到极限值时将导致元器件失效。国外统计资料指出，温度每升高2℃，电子元器件的可靠性下降10％，器件温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6，足见热设计的必要性。
电源热设计的原则有两个：
• ① 提高功率变换效率，选用导通压降小的元器件简化电路，减少发热源。
• ②实施热转移和热平衡措施，防止和杜绝局部发热现象。
由于卫星所处空间环境的影响，散热方式只有辐射和传导，且由于安装位置的影响，DC-DC变换器一般主要通过传导进行散热，也就是通过机壳安装面，将DC-DC变换器产生的热量经设备结构传导到设备壳体，再由设备安装面传导到卫星壳体，由整星进行温控。
● 热耗控制
1.MOSFET热耗控制
MOSFET的热耗主要来自导通损耗、开关损耗两部分。导通损耗是由于MOSFET的导通电阻产生的，开关损耗是由MOSFET的开启和关断特性产生的，而MOSFET的开启和关断特性取决于MOSFET的器件参数（如输入电容）、驱动波形、工作频率、电路寄生参数等因素。
开关损耗的控制主要有以下几点。
• ①针对不同的MOSFET设计各自的栅极驱动，加速MOSFET的开启和关断。另外，通过驱动加速电容，使得驱动波形的上升沿时间缩短。
• ②综合考虑设计合理的工作频率。
• ③通过变压器绕制工艺设计，控制变压器的漏感，进而减小MOSFET的漏源极电压尖峰。如反激型变压器设计就采用“三明治”式绕法，即初级绕组先绕一半，再绕次级绕组，绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完，最后将次级绕组包裹在里面，这样漏感最小（见图2）。
图2. 反激型变压器的绕制示意
• ④通过吸收电路的设计，进一步控制由于变压器漏感引起的MOSFET漏源极电压尖峰。设计原则是吸收电路的自身损耗较小且尽可能有效地控制电压尖峰。
一般通过上述电路设计，MOSFET热耗可以达到比较理想的结果。
2.变压器热耗控制
变压器热耗主要来自磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。磁滞损耗与变压器绕组和工作方式有关，可以由公式（1）表示。涡流损耗是由磁芯内环流造成的；电阻损耗是由变压器绕组电阻产生的，分直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗两种。
Peddy≈khVefSWB2MAX （1）
式中，Kh——材料的磁滞损耗常数；
Ve——磁芯体积，单位为cm3；
fSW——开关频率，单位为Hz；
BMAX——工作磁通密度的最大偏移值，单位为G。
对磁滞损耗的控制设计中主要有以下几点。
• ① 设计比较合适的工作频率；
• ② 合适的初级绕组匝数；
• ③ 工作磁通密度的最大偏移值的降额设计。
在电阻损耗的控制设计中，尽量采用多股线替代单根线，从而将变压器磁芯绕满。
3.输出整流电路热耗控制
输出整流电路的热耗主要由整流二极管产生，整流二极管热耗主要来自导通损耗、开关损耗两部分。对于导通损耗的控制设计主要是根据输出电流和工作频率选择合适的整流二极管，如快恢复二极管或肖特基二极管。
对于开关损耗的控制主要有以下几点。
• ①选择反向恢复特性好的整流管；
• ②通过吸收电路的设计，控制整流管反向电压尖峰。
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目录- DC-DC模块电源 隔离收发模块 DC-DC（1-3W）定电圧输入隔离模块 DC-DC 非隔离模块 DC-DC（6-75W）宽电压输入隔离稳压输出 DC-DC（100-400W）宽电压输入隔离稳压输出 AC-DC模块电源 AC-DC（3-6W）智能家居 物联网隔离模块 AC-DC（10-25W）高性能标准隔离模块 AC-DC（30-75W）隔离模块 AC-DC（100-200W）隔离模块 产品安全使用注意事项和电源模块的测试
型号- UA25-220E0512H2,FN1-15D24B3N,DA150-220SXXG9N3 SERIES,FN1-XXDXXH6,FD30-36S09B3C,FD50-24S15B3C,BK20-H1N4,FD20-A3 SERIES,FD15-18S05A3,FD15-36S12A3,FD20-18D05A3C,FD12-36S15A32,FD20-110SXXA33-T SERIES,FD30-36S24B3,FN1-15S24BN,UA15-F2D4,WD150-110S12Q1,FN1-12S12H6,FN2-05S05H6,FD50-24S3V3B3C,FN1-05S3V3AN,FK1-05D12E3,WD100-48S12N1,FK1-12S05E3,VD150-110S12N1,FD30-24S12A3,NN1-3V3S15ANT,FA3-220SXXB9D4,FD12-110S3V3A3,FD12-18D05A3,FW2-XXSXXC,FD20-36S3V3A3C,FA15UA15-F2D4,FW2-12S12C,RS485-05LSSV,WD150-48S12N1,FN1-H6 SERIES,FD30-48S3V3A3,NN1-3V3S3V3ANT,UA15-F2A SERIES,DA45-220T05XXXXG9N3,FK1-24S12E,FK1-05D12E,FN1-15D15BN,FA30-220SXXH2,FA30-220SXXH2-TS,RSCAN-XXXSXX SERIES,KW6-18S3V3E2C3,FW2-C3,FD6-36S15A3,FD6-36S3V3B2C5,FD30-XXSXXB3-T,WD100-48S12Q1,WD150-24S12N1,NA150-220SXXL1 SERIES,FD15-36S3V3A3C,BK20-600S24H1N4,FN1-05S05B3N,FW1-12S05B,FDXX-B2C5 SERIES,FA15-F2 SERIES,WD300-48S24P1,FK3-05S24E,FN1-12D12BN,CK6-E2 SERIES,FN2-05D05CN,FA6-220S09D2,FK1-05S12E3,BK25-500S24H1N4,FD12-110SXXA33 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如何通过电源设计节省时间和空间
Maxim的Himalaya uSLIC系列提供了一些非常适合微型传感器的电源模块，特点及应用介绍。
设计经验 发布时间 : 2024-10-29
爱浦电子（Aipulnion）DC-DC模块电源/AC-DC模块电源/行业应用电源选型指南
描述- 广州市爱浦电子科技有限公司创立于2004年，专业从事模块电源研发、生产、销售和电源解决方案的国家高新技术企业。目前，公司已经通过ISO9001：2015质量管理体系。爱浦电子拥有专业的生产设备：贴片机、回流焊、波峰焊、电源自动化测试设备、EMI实验室等；作为十九年品牌企业，爱浦电子拥有丰富的产品设计经验，已经申请了多项关键技术国家专利；到目前为止，产品系列分为1-700W的DC-DC模块电源，2-200W的AC-DC模块电源，通讯隔离收发模块。
型号- UA25-220E0512H2,FN1-15D24B3N,FN1-XXDXXH6,FD30-36S09B3C,FD50-24S15B3C,PFD12-18D05A32,BK20-H1N4,FD20-110SXXB33-T,FA40-220S3V3H3N4,FD15-18S05A3,FD50-B33-TS,FA8-220S05B9N3-1,PFD12-18S09A3C2,KW3-24S24ER3,FD12-36S15A34,WD100-48S12N1,VD150-110S12N1,FD30-A3R-T,DD6-05SXXE3C2,FW2-XXSXXC,FA3-300SXXY2N3-TS,FD20-36S3V3A3C,RS485-05LSSV,FW2-12S12C,WD150-48S12N1,NN1-3V3S3V3ANT,FD20-XXSXXA3C2,RS485-XXXSAVC SERIES,NN3-05S09CN,BK40-600S12W2N4,KW1-24D05E3R3,FD6-36S15A3,K783V3-2000,DD10-24D05E3C2,DA5-220S05G9D4,PFD20-A3 SERIES,WD100-48S12Q1,NA150-220SXXL1 SERIES,BK20-600S24H1N4,NN2-A3NR3 SERIES,FA15-220S12V8Y2N3,FA15-220S12V7B9N3-1,FD6-110SXXA3N4-TS SERIES,NN2-12S15ANR3,FD20-A3C2,NW1-05D12DR3,RS485- HSAV,FA25-220SXXH2D4,RS485-XXXSAVC,KW1-24S12E3R3,WD50-110S12K1,RS485-XXHSA,FA20-300S3V3H2D4,FN1-05D05B3N,FD6-18S12B2C5,FA20-300S24H2D4,FD15-18D05A3,LC-AC01P2 SERIES,WD50-48S24K1,FA5-220E05XXC2D3,WD600-48S28R1,NN3-12S12C4N,UD6-36S3V3E3,WD150-48S12Q1,FD20-B33,FD15-A3-T SERIES,DA120-1000S24G1N4,FA15-220SXXG2N4 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一篇文章综述中国碳化硅（SiC）产业建设进展
第三代半导体材料为氮化镓GaN、碳化硅SiC、氧化锌ZnO、金刚石C等，其中碳化硅SiC、氮化镓GaN为主要代表。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面碳化硅SiC、氮化镓GaN性能更出色。在5G通信、新能源汽车、光伏等领域头部企业逐步使用第三代半导体，瑞之辰等从业者认为成本下降有望实现全面替代。
行业资讯 发布时间 : 2024-09-30
【经验】了解开关电源PCB的布局、走线原则等设计要点
爱浦电子将在本文介绍开关电源PCB的设计要点。PCB设计是开关电源设计非常重要的一步，对电源的电性能、EMC、可靠性、可生产性都有关联。当前开关电源的功率密度越来越高，对PCB布局、布线的要求也越发严格，合理科学的PCB设计让电源开发事半功倍，以下细节供您参考。
设计经验 发布时间 : 2021-08-15
爱浦电子DC-DC电源模块选型表
如下表格提供爱浦电子DC-DC电源模块选型，输入电压(VDC)4.5-1500，输入电流(mA)0.5-14368，输出电压(VDC)-24-48，输出效率(%TYP)75-91，输出电流(mA)-2000-25000
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产品型号
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品类
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输入电压(VDC)
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输入电流(mA)
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输出电压(VDC)
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输出效率(%TYP)
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输出电流(mA)
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UD6-18S3V3E3
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DC-DC电源模块
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9-36
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20
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3.3
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76
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1200
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选型表 - 爱浦电子 立即选型
【应用】扬杰科技双N沟道MOSFET用于板卡boost升压电路，可提供24V/2A电源输出
本文项目是板卡，主要功能是通过处理器采集北斗卫星的定位信号，对设备进行定位。北斗模块采用24V供电，系统的输入电源为12V，因此需要将12V电源升压到24V提供给模块。输出功率比较大，只能采用外接MOSFET进行设计，选用扬杰科技的YJGD20G10A作为开关管。
应用方案 发布时间 : 2021-11-17
【选型】可抗辐照的硅基增强型GaN MOSFET EPC2032，航空级DCDC电源输出端的优秀选择
在卫星等航天级DCDC电源设计中，为了提高功率密度和转换效率，同时兼顾航天抗辐照的要求，需要低导通电阻、高达1MHz以上开关频率的MOSFET器件。针对输出端低压开关抗辐照MOSFET应用，本文推荐EPC（宜普）的硅基增强型GaN MOSFET EPC2032，额定电压100V，额定电流48A，脉冲电流340A，是航天级DCDC电源输出MOSFET的优秀选择。
器件选型 发布时间 : 2019-08-31
电子商城
现货市场
服务
提供全面表征产品器件耗电特征及功耗波形、快速瞬态效应、电源优化、表征和仿真测试服务，使用直流电源分析仪测量精度达50µV，8nA，波形发生器带宽100kHz，输出功率300W，示波器200kHz，512 kpts
实验室地址： 深圳/苏州 提交需求>
可定制高压电源模块的输入电压100VDC-2000VDC、功率范围5W-500W/4W-60W； 高压输出电源模块的输出电压100VDC-2000VDC。功率范围：4W-60W。
提交需求>
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授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
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