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航空航天电源技术范文1
GPIB（General Purpose Interface Bus）接口总线最早由美国HP公司倡导实施，命名为HPIB。由于它良好的接口特性，很快在国际范围内得到广泛的应用，并被美国电气与电子工程学会命名为IEEE488，在英国和日本等国家则称为GPIB。虽然有多种叫法，但实际上除了机械标准有所不同外，其实质完全相同。它犹如一座桥梁，将配置GPIB总线接口的仪器与计算机紧密地结合起来。用它组成的系统方便、灵活、功能强及适应性好，可方便地应用到科研、工程、医药工程、医药及测试等领域。
美国NI公司生产的GPIB专用芯片TNT4882具有功能强、体积小、传输速度快及易与微处理器接口等特点，备受用户的青睐。笔者运用TNT4882成功地开发了具备GPIB总线接口的多路程控电源。
图1 TNT4882引脚图
1 TNT4882芯片简介
1.1 TNT4882引脚说明
TNT4882是NT公司开发的100脚PQFQ封装的GPIB专用集成芯片，是IEEE488.2标准和GPIB收发功能的集成，且具有HS488增强功能。它的引脚如图1所示。
VDD：电源，接+5V；
GND：电源地；
XTAL0、XTAL1：外接时钟振荡器引脚；
DATA15～DATA8（ABUS）、DATA7～DATA0（BBUS）：数据线，是TNT4882与外部CPU进行数据输入/输出的双向总线，分为ABUS和BBUS，便于进行8位或16位数据操作；
ABUSN：ABUS使能；
BBUSN：BBUS使能；
ABUS_OEN：当前正在通过ABUS读数据；
BBUS_OEN：当前正在通过BBUS读数据；
CSN：片选；
ADDR4～0：内部寄存器地址线；
RDN：读信号；
WRN：写信号；
CPUACC：指示TNT4882可以进行总线操作延时；
RDY1：指示TNT4882完成当前总线操作；
DRQ：DMA申请信号；
DACKN：DMA申请应答信号；
BURST_RDN：连续读信号；
FIFO_RDY：当前TNT4882内部FIFO至少已有8个有效数据；
INTR：中断申请信号；
RAGED：地址映射选择，有效则映射内部寄存器到不同的地址；
MODE：TNT4882工作模式选择；
SWAPN：模式切换；
RESETN：复位；
TADCS：指示当前TNT4882选中为讲者；
LADCS：指示当前TNT4882选中为听者；
TRIG：指示当前TNT4882接收到外部触发信号；
DCAS：指示当前TNT4882接收到设备清零信号；
REM：指示当前TNT4882进入遥控状态；
GPIB数据线8根：DIO8N～DIO1N，用于GPIB地址和命令，传递数据；
GPIB管理总线5根：ATNN（ATTENTION，注意）线、IFCN（INTERFACE-CLEAR，接口清除）线、RENN（REMOTE ENABLE，程控使能）线、SRQN（SERVICE REQUEST，服务请求）线、NDACN（NOT DATA ACCEPTED，未接收到数据）线；
GPIB挂钩总线3根：DAVN（DATA VALID，数据有效）线、NRFDN（NOT READY FOR DATA，未准备好接收）线、NDACN（NOT DATA ACCEPTED，未接收到数据）线。TNT4882利用以上3条总线进行握手信息和数据传送，以确保信息和数据的与传送准确无误。
1.2 TNT4882内部结构
TNT4882有三种模式：单片模式、Turbo+7210模式及Turbo+9914模式，而且Turbo+7210模式和Turbo+9914模式可以转换到单片模式。单片模式是最简单、最快速的结构。在设计中，选用单片模式。单片模式内部组成模块如图2所示。
单片模式内部结构由1个片内ISA逻辑接口，1个片内读/写控制器，1个片内先进先出的缓冲区，1个定时/计数器，1个片内中断控制器，1个可配置状态寄存器，1个IEEE488总线监视器，1个IEEE488总线功能接口，1个HS488电路功能接口，1个IEEE488收发器及1个IEEE488总线组成。
2 TNT4882功能控制和数据传送/接收方式
2.1 TNT4882功能控制
TNT4882功能控制是通过写命令字的方式实现的。这些命令字包括TNT4882复位、初始化、寄存器的读/写及中断请求等命令。TNT4882内部有40多个用户可访问的8位寄存器。对这些寄存器的访问是通过填在寄存器的读/写命令的地址进行的。这些寄存器包括基本配置、FIFO、中断控制、定时/计数器、状态寄存器、挂钩和管理寄存器等。
2.2 TNT4882数据传送/接收方式
当传送数据开始时，TNT4882完成初始化。TNT4882初始化结束后，上位机和TNT4882进行数据传送。上位机传送计数器用来寄存上位机和FIFO之间所要传送和接收的字节数。由NTN4882计数GPIB接口传送和接收的字节。在上位机和FIFO间每传送一个数据，上位机接口便将上位机传送计数器的传送计数值减一，并查询计数值是否等于零。如果计数值等于零，上位机开始检测结束条件，判断是否结束。如果结束，数据传送完成；否则，等待。
图4 TNT4882与微控制器接口原理图
3 TNT4882在多路程控电源中的应用及软件流程
多路程控电源是为航空航天电子设备及系统的自动测试设备（ATE）的技术需要而设计和研制的，是目前在高性能的航空航天自测系统中不可缺少的配套设备之一。该程控电源的输出不但可满足目前国内、国外不同供电体系的技术需要，而且还配套输出多路的辅助电源，以满足用户的特殊需要。考虑到多路程控电源的通用性，且适于国际接口标准，在研制中加一GPIB总线接口，以使我们的多路程控电源能用在不同的控制系统中。多路程控电源硬件图如图3所示。
多路程控电源由数据采集、微控制器、电源模块、GPIB总线接口及上位机组成。多路程控电源输出的模拟量经变换后送到A/D转换器进行转换，转换成数字量送到微控制器处理，同时微控制器还采集开关信号。微控制器对采集的信号处理后，通过GPIB总线送至上位机，实现上位机对电源状态的实时监控；同时，上位机可以通过GPIB总线发送控制命令到微控制器，实现上位机对多路程控电源的程控。
3.1 TNT4882与微控制器接口及编程
TNT4882的D0～D7与89C51的P0口直接相连，ADDR0～ADDR5与微控制器的地址A0～A5相连，CS作TNT4882的片选信号，与在线可编程逻辑器件相接。WR、RD与微控制器的读、与直接相连，对读、写寄存器进行读、写操作。由于TNT4882的中断为高电平，与AT89C51的中断申请极性相反，故需要通过反向后，才可与微控制器的中断INT连接。
在本多路程控电源系统中，有两个晶振：一个用于产生微控制器工作时钟，一个用于产生TNT4882的工作时钟。图4是TNT4882与微控制器的接口原理图。
用MCS51汇编语言编写的GPIB收、发数据子程序见网络补充版。
3.2 上位机编程
采用面向仪器与测控过程的交互式C/C++开发平台——LabWindows/CVI(C for Virtual Instrumentation)语言。它是一种将C语言平台与测控专业工具库有机结合起来的开发平台。它不仅具有集成开发平台、交互式编程方法、功能面板和库函数，而且还有简单明了的友好图形设计界面、完善的开发系统兼容性以及灵活的程序调试手段，为熟悉C/C++语言的开发人员建立数据采集系统、测量系统、检测和过程监控系统提供了极大的便利。图5是上位机控制程序流程图。
多路程控电源与上位机通信的一个应用程序见网络补充版。
航空航天电源技术范文2
1平面变压器
平面变压器是在20世纪90年代中期问世的一种高技术微型变压器，特别适合于表面贴装，对电子设备的轻量化和小型化起着关键作用。平面变压器分宽带变压器、功率变压器和阻抗变换器等几类，它们是目前技术最成熟，同时也是应用最广泛的微型变压器。
1.1平面变压器的结构与制作方法
(1)平面变压器的磁心
平面变压器与传统变压器比较，最大区别在于磁心和线圈(绕组)。
平面变压器一般采用由高频功率铁氧体软磁材料制成的E型、RM型、罐型或环型磁心。高频功率铁氧体材料具有工作频率高、磁心损耗小、单位质量下承载的功率大等特点。
E型磁心价位低，有大的绕组空间，可允许较大的电流通过，但磁心正柱的方形给绕制变压器线圈带来一定的难度，并且变压器漏感较大，抗压强度也较低。RM型磁心适合于高密度安装，而且在安装中的各引线槽不在一起，屏蔽效果好，散热窗口较大，在500～700kHz的高频下有较低的磁心损耗。
(2)平面变压器的结构与制作方法
铁氧体平面变压器的结构与制作方法主要有多层印制电路板叠合式、绕组式和铜箔绕组折叠式三种类型。
①多层印制电路板叠合式。用印制铜线条的多层印制电路板代替漆包线及骨架的平面变压器结构如图1所示。这种结构的平面变压器采用印制板制造工艺技术，用精密的薄铜片或若干刻蚀在绝缘薄片上的平面铜线圈在多层板上形成螺旋式绕组。螺旋线和引线框叠在扁平的铁氧体磁心上形成变压器的磁路。这种铁氧体平面变压器的结构剖析及外形如图2所示。
采用多层电路板叠合结构的铁氧体平面变压器具有低直流电阻、低漏感和低分布电容的特点，可充分满足谐振电路要求，并具有良好的磁屏蔽特性，能有效抑制EMI。
②绕组式。绕组式平面变压器的制作方法有的与常规变压器一样。目前模块电源通常输出低电压大电流，功率一般在100W以上，因此变压器二次绕组匝数不多，但必须能通过10A以上的电流，这就要求绕组二次侧铜导线的截面积足够大，故一般采用铜箔作绕组。图3所示是一种圆环形绕组。这种绕组共6匝，利用印制板工艺制作，实际上它由3个双面印制电路板组成，PCB每一个面上的线匝经明孔或暗孔以串联方式相连接，每层导体都有向外伸出的连接片，相邻的双面板靠连接片上的焊孔相连。
③绕组折叠式。绕组折叠式平面变压器通常用铜箔作绕组，然后再折叠成多层线圈。图4所示为一种新型折叠式绕组设计，图中虚线为折叠线。由于相邻的环形导体中心线之间有一定的夹角α，每一环形导体所形成的匝数实际上只有(1-α/360°)。当α＝60°时，每一环形导体所形成的最大匝数为5/6。与图3所示的绕组结构相比，这种折叠式绕组在线圈匝数受磁心窗口高度限制时具有明显的优势。该绕组结构的缺点是相邻环形导体的折叠线不平行，为减小漏感和高频损耗，一、二次侧绕组交错配置给制作带来不便。
上述几种结构的平面变压器都使用铁氧体磁心。图5所示为一种利用非晶态材制作的参数振荡平面变压器。这种变压器尺寸为7mm×5mm，由采用电火花切割的5片非晶态磁性材料叠装而成，线圈用聚酯漆包线绕制。该参数振荡平面变压器在励磁频率为500kHz时的电压调整率为0.94%，具有优良的稳压特性、过载保护功能和噪声滤波性能，其缺点是输出功率小，效率不高。
1.2平面变压器的优点
从目前平面变压器所使用的磁心材料看，以铁氧体为主。铁氧体平面变压器与传统变压器相比，具有以下优点：
(1)体积小，高度小于2cm，功率密度为传统变压器的3倍。
(2)在平面变压器中，导线实际上是一些平面导体，因而电流密度大，每层绕组最大电流可达200A。
(3)功率大，单个器件功率可达0.5～25kW。
(4)工作效率高，可达98%至99%。
(5)漏感低，一次绕组漏感仅约为一次电感量的0.2%。
(6)工作频率和工作温度范围宽，频率范围为50kHz～2MHz，工作温度范围为-40～l30℃。
(7)热通道距离短，散热面积大，热传导效果好，温升低。
(8)具有高效磁心屏蔽作用，从而可有效抑制射频干扰。
(9)绝缘性能好，一次侧到二次侧的绝缘隔离可达4kV。
此外，平血侥压器还其有制作成本低、重复特性好和参数稳定等特点。
1.3平面变压器的应用
平面变压器可广泛应用于笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子、电力设备、航空航天电源、舰载电源、雷达电源等领域。
汽车电子是目前平面变压器的主要应用领域之一。由于汽车殊的电气和机械环境，要求变压器能承受高温及高达100A的瞬态大电流和非常大的加速度冲击，而E型铁氧体平面变压器则可以满足这些要求。因为这种磁心有大的绕组空间，可允许大电流通过；绕组结构仍采用多层印制电路板，磁心粘接和多层电路板粘接非常牢固，可承受大的温度和机械应力，因而E型铁氧体平面变压器已在中档轿车的电子系统中得到广泛应用。汽车氙灯镇流器需将12V的电池电压转换为100V，在DC-DC升压变换器中也可以采用平面变压器。
用铁氧体平面变捱器制成的5～60W的DC/DC变换器，已大量应用到电信系统插卡式板上电源中。为了使电信网络安全可靠，防止闪电和浪涌电压冲击，将表面贴装型平面变压器或者与电流补偿扼流圈集成在一个厚膜模块中作为通信电源，能够承受3～4kV的高压。
宽带传输应用的平面变压器，显示了良好的发展前景。以因特网为中心的宽带通信市场正在快速增长，传输系统大量采用数字技术，综合业务数字网络(ISDN)给用户提供了一个高度带宽的语言、文字、数据和图像通信的公共平台。当在电话用户与中心交换局之间采用数字化传输技术时，接口变压器、隔离变压器和扼流圈等是不可缺少的。低高度铁氧体高频平面变压器在电信领域得到了较大的应用。一个高度为l4mm的200W平面变压嚣，最高工作频率达2MHz，效率达97%，比传统高频变压器的体积和质量均大幅缩减。
随着家用电器向数字化和网络化发展，数字电视具有在有线电缆电视上进行交互作用的功能，如通过回程发送数据，进行电视购物等。通过卫星电视也可以实现类似功能，只不过频率要覆盖4～2400MHz的宽频带。采用铁氧体双孔磁心制成的平面变压器可以满足上述应用的要求。
随着开关电源频率的提高，平面变压器的应用优势越来越明显。可以相信，在未来的许多高技术领域，平面变压器将会取代传统变压器而得到更广泛的应用。
2扁平式变压器
扁平式变压器是60多年来变压器技术领域中的一项重要的技术创新成果，它克服了传统变压器散热差、漏感大、高频特性差、制造工艺冗长以及体积大等一系列缺陷，成为DC/DC电源变换器的重要部件。
2.1扁平式变压器的结构
扁平式变压器在结构上不同于普通变压器，它通常由两个磁心和线圈组成。扁平式变压器通常使用无隙方形磁心，也使用E型等磁心；绕组既可用导线绕制，也可由冲压铜片和绝缘板叠加而成。
图6所示为一种150W DC/DC变换器模块用超薄型扁平变压器的结构。这种变压器尺寸为50mm×30mm×8mm，功率为150W，工作频率为200kHz，耐压为2kV。DC/DC变换器模块的厚度仅为lOmm。变压器采用两个高磁导率的E型铁氧体磁心，每个磁心均为扁平状，高度为4mm。两个磁心的接触面采用磨削加工，达到较高的精度，有很小的磁阻。变压器绕组不是用漆包线绕制，而是由冲压铜片和冲压绝缘板叠加在一起组成。每个铜片制成一定的形状，铜片之间夹放冲击绝缘板。各铜片通过绝缘板的连接孔可以串联或并联，从而组成变压器绕组。该变压器一、二次侧均含4个铜片，由于二次侧铜片采用并联组合，所以可以通过大电流。二次绕组具体的制作工艺是：在一定位置上打孔，插入两根铜柱，4个铜片的两端分别焊接在两个铜柱上，两个铜柱同时又是接线端子。变压器一次绕组连接时，在打孔处插入五根铜柱，一次侧铜片与适当的铜柱焊接在一起，使各铜片首尾相连。与第一个铜片的首端连接的铜柱和与第四个铜片尾端连接的铜柱为输入接线端子。一、二次绕组均采用环氧树脂黏接，形成46mm×25mm×4mm的扁平状，具有良好的电气性能和很高的机械强度。由于采用了片状绕组，使磁路缩短，电流密度增加。
采用两个方形铁氧体磁心的扁平式变压器，每个磁心内一般有两根螺旋线圈被焊接在内部表面，两个方形磁心连接在一起形成一个中心开孔的变压器，如图7(a)所示。在很多情况下，扁平式变压器结合电感器一起使用，构成变压器/电感器组件。多个扁平式变压器组件可以构成一个扁平式矩阵变压器组件，如图7(b)所示。矩阵变压器组件结构可以解决普通变压器中单个散热点问题，并且在高频条件下能够满足大电流密度工作的需要。
2.2扁平式变压器的优点
扁平式变压器的主要特点如下：
(1)电流分布均匀性好，电流密度大
典型的扁平式变压器通常带有一些平行单匝二次线圈，每一个二次线圈与相同的一次线圈相耦合。因此，在励磁电流可以忽略的情况下，每一匝二次线圈电流与一次的安培匝数相等，线圈的电流分布均匀，小需要镇流电阻及外加元器件。扁平式变压器在封装体积很小的情况下仍可以达到非常高的电流密度，通常为40A/mm2。
(2)高频特性好，功率密度高
随着DC/DC变换器工作频率的不断提高，使得磁性元件和滤波电容器尺寸越来越小，元器件越小价格则越低，DC/DC电源变换器的尺寸可以做得很小，从而具有非常高的功率密度。普通变压器在高频下工作会使开关损耗增大，导致变压器出现过热现象。而扁平式变压器技术解决了这个问题，提供了一个经济实用的标准模块化方法，使变压器具有优良的高频特性。
(3)漏感小，效率高
扁平式变压器一、二次侧绕组匝数很少，绕组间耦合极好，连接元器件的端子对于互连绕组来说既短又很紧，使漏感值非常小，每个组件仅约4nH/N2(N为拖数)。扁平式变压器的绕组匝数少，绕组损耗小，从而可获得高达99％的效率。
(4)散热性能好
变压器发热主要是因铁心损耗和绕组损耗引起的。铁心损耗与其体积、磁通密度和频率有关。扁平式变压器磁心形状不同于普通变压器磁心，例如无隙方形磁心，有一层绝缘采用极薄的涂覆层，没有边缘通量，磁通路径阻力大为减小。扁平式变压器绕组平而宽，平行于磁通路径。磁心外的热路径有两条：一条是完全通过磁心厚度，而厚度又非常薄；另一条沿二次侧铜导体的长度方向，而铜导体又是优良的热导体。磁心与二次侧铜导体焊接在一起，所以热通路可以配合磁心损耗和绕组损耗共同排除热量。扁平式变压器一、二次绕组匝数很少，绕组的损耗很小，从一次绕组到二次绕组的热路径非常短，所以散热性能特别好。
(5)隔离电压高
扁平式变压器很容易根据所需要的厚度和绝缘层数进行绝缘，一次侧与二次侧之间的隔离电压可达4000V。
(6)成本低
扁平式变压器体积小，结构简单，装配方便，价格仅为普通变压器的一半。
扁平式变压器技术为DC/DC电源变换器提供了一个功率密度和散热问题的最佳解决方案。扁平式变压器的主要磁性元件和绕组经过优化并密封在完整的组件内，设计者不必担心其布局。扁平式变压器凭借绕组匝数少的优点，基本上消除了邻近效应。扁平式变压器的模块化设计，可根据功率要求增加或减少模块数。扁平式变压器所具有的一系列优点，是普通变压器难以做到的。
