航天二次电源.docx
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航天二次电源
航天器二次电源设计
俞可申
上海空间电源研究所
前言
本文根据航天器电源的特殊要求，对电路以定性分析为主，对二
次电源的设计进行了阐述。
介绍了二次电源在设计和测试的运用实例。
内容有：
电路设计，
储能电感设计，运算放大器增益设计技巧，噪声抑制方法等，还介绍
使用示波器常见问题分析等内容。
。
2
1概述····················································4
2航天器电源系统··········································5
2.1航天器电源··············································5
2.2电源系统结构···········································5
3航天器二次电源设计·······································6
3.1二次电源特性及要求···································6
3.2二次电源设计··········································7
3.2.1二次电源基本电路·····································7
3.2.2储能电感设计·········································8
3.2.3运算放大器增益设计技巧·······························10
3.2.4散热设计·············································11
3.2.5噪声抑制方法········································13
3.3使用示波器常见问题分析································16
3
1概述
众所周知，所有航天器都需要电源才能工作，而航天器是一个有
多种不同功能单元组成的庞大系统，对电源而言，这些单元都是有着
各种不同功率和用电要求的负载，必须设计高可靠，高性能，适配性
强的电源，才能保证航天器在设计寿命内可靠安全运行，甚至可以延
长航天器的使用寿命。
19世纪末，俄国科学家齐奥尔科夫斯基已经在他的著作中第一次
科学地论证了借助火箭实现宇宙飞行的可能性。
1957年10月4日，苏联拉开了人类航天的新序幕，苏联人用卫星
号运载火箭将世界上第一颗人造地球卫星——卫星1号送入太空，卫
星1号为球状，重约83.6Kg，直径约58Cm,距地面的最大高度为900
公里，卫星绕地球一周需1小时35分，这颗卫星在轨运行了92天。
时隔一个月，同年11月3日，苏联又发射了第二颗人造地球卫星
——卫星2号，卫星为锥型，重量约508kg，这颗卫星搭载了一只“莱
伊卡”的小狗进行生物试验，还进行了一系列空间环境试验。
1958年1月31日，美国进行了美国人将一颗重18磅的“探险者
1号”卫星送入太空。
1961年4月12日，世界上第一艘载人飞船东方-1飞上太空，苏
联航天员加加林乘飞船绕地飞行108分钟，安全返回地面，成为世界
上进入太空飞行的第一人。
1969年7月21日，美国的阿波罗11号飞船载着三位宇航员成功
登上人们向往已久月球土地，这是人类第一次登上月球。
1977年9月初美国航天局发射了旅行者1号行星际探测飞船，重
815千克，它曾到访过木星及土星，现已到达太阳系的最边缘，并进
4
入了星际空间。
一个月后发射了旅行者2号姐妹船，随之而行。
随着科学技术的迅猛发展，航天器的发展速度日益加快，全世界
有更多的国家加入到研制发射航天器的行列中，无论是卫星，飞船、
航天飞机、星际探测器还是空间站，这些航天器要完成他们的使命都
离不开电源的支持，如果说一个航天器没有安全可靠的电源和电源控
制系统，那么这个航天器就毫无存在的意义.。
2航天器电源系统
2.1航天器电源
目前大多数长寿命航天器一般使用太阳电池作为主电源，相对而
言太阳电池寿命较长，便于批量生产，易于航天器布局，安装方便，
所以太阳电池在航天器上被广泛采用。
有些超长寿命的航天器使用放
射性同位素温差发电机作为电源，它的寿命很长，如美国发射的旅行
者1号星际探测飞船主电源就是放射性同位素温差发电机。
到目前为
止仍能接收到1977年9月发射的旅行者1号发回的信号，说明它的电
源仍能工作。
也有一些短期试验性航天器，如回收式卫星等，可用其
他储能电源作为主电源，苏联发射的世界上第一颗和第二颗人造地球
卫星均采用锌银蓄电池组供电，美国早期发射的部分科学卫星和侦察
卫星采用锌汞电池或镉镍电池，水星号和双子星座号等早期载人飞船、
生物卫星采用锌银蓄电池组供电。
中国第一颗卫星——东方红1号也
使用锌银蓄电池作为主电源〔1〕。
锂离子蓄电池是一种比能量很高的储能电源，近年来被广泛应用
于航天器。
２.２电源系统结构
航天器设备都需要工作电源，目前应用最多的是太阳电池作主电
5
源，在光照期太阳电池作为发电装置提供能源，一方面向各类负载供
电，同时要为蓄电池组充电，当航天器进入地球阴影期时，太阳帆板
得不到光照不能发电，此时由蓄电池组向负载供电。
另一种状况是航
天器由光照状态刚转入阴影的模糊区域时，太阳电池供电能力明显不
足，此时蓄电池组可提供部分电能，它和太阳电池形成联合供电模式，
可确保航天器负载用电需要。
图1为一种地球同步轨道航天器电源系统控制方式示意图。
.
BUS一次母线+充
电放电
控
控制制
太
阳
电
池
供
电
阵
太
阳
电
池
充
电
阵
蓄
电
池
组
RL1
RL2RLn
二
次
电
源
1
二
次
电
源
2
二
次
电
源
n
二
级
二
次
电
源
－图1电源系统示意图
太阳电池和蓄电池组通常情况下电压是不稳定的，需要控制系统
将这些不稳定的电压变换成稳定的一次母线电压向负载供电。
此外各
个分系统控制单元需要各类不同功率不同电压的二次电源作为工作电
源，它们将一次母线作为输入电压，进行二次变换，变换成负载所需
要的二次电源电压。
３航天器二次电源设计
３.１二次电源特性和要求
6
二次电源用于分系统单元控制电路供电，二次电源工作的稳定性
和可靠性，直接影响到某个工作单元功能的成败，甚至于影响到整个
航天器任务的成败。
航天器二次电源的特点和要求如下：
1）可靠性
航天器在发射升空时，二次电源随电源系统已进入自主工作
状态，其可靠性就决定了某项单元或整个航天器成败，有些
重要分系统还必须设有备份。
2）负载特性要求
有些负载启动时脉动冲击很大，有些负载存在高频辐射及馈
线干扰，二次电源对各种负载的响应必须稳定，抗干扰能力
强。
3）功率要求
二次电源要满足负载功率的要求，有些负载平均功率很小，
但瞬时功率很大。
3.2二次电源设计
3.2.1二次电源基本电路
航天器二次电源采用BUCK变换器电路，其输入电压为一次母线，
二次电源组成及工作原理如图2所示。
整个电路由输入π型滤波电路、
PWM脉宽调制电路、输出驱动电路、功率放大电路、开关续流电路、
储能电路、输出滤波电路和采样反馈等电路组成。
二次电源稳压过程
为：
通过输出端的采样电压，反馈到脉宽调制器的误差放大输入端与
脉宽调制器内部的基准电压相比较，再将比较结果送到PWM锁存器锁
存，再进行脉宽调制，由驱动电路驱动功率放大电路，通过负反馈控
制使输出电压稳定。
7
3.2.2储能电感设计
图2中L2为储能电感，制作储能电感必须选用适当的磁芯。
磁芯
材料品种很多，有铁氧体，铁粉芯、铁镍钼合金粉芯以及硅钢片等。
要设计一个可靠的符合要求的储能兼滤波电感，磁芯材料选择很重要，
首先要考虑储能，储能电感在开关电路的工作原理如图所示3。
BUS
采样功率开关管TL2OUT
L1IN
C1
C2-
+
出
驱动1
驱动2
+C3
误差放大器
DC1C2
PWM
RD
CTRT
图2二次电源主控电路功能原理图
正确选择磁芯才能满足储能电感的使用要求，作为一个储能电感，
必须能储存足够的能量，放电时保证负载功率需要，储能电感对抗饱
和也有一定的要求，储能电感在充放电过程中能量突变时，储能电感
不能饱和。
磁芯都有一定的指标，磁导率是其中一项，磁导率高的磁
芯可以获得高的电感量，但是并不是所有的电感元件只要选择磁导率
高的磁芯就一定具有优势，要视实际电路需要而定。
各类磁芯的抗饱
和程度是不同的，一旦磁芯进入饱和状态，磁导率会从原来的很大数
值迅速下降到接近1，储能电感在储能和释放能量过程中磁场有强弱
变化过程，当磁场在某一瞬间迅速变强，达到峰值时，如果磁芯选择
8
不恰当，储能电感可能饱和，在储能电感中出现磁饱和现象是非常危
险的，储能电感将失去储能作用，开关电路就不能正常工作。
通过综
合因素分析，铁镍钼磁芯具有饱和磁通密度高，功率损耗小，温度特
性好，同时有耐湿和抗振和可靠性高等特点，在二次电源储能电感设
计中选用铁镍钼磁芯。
电感设计中还有一些不可忽略的因素，磁导率
和工作频率有关，二次电源工作频率小于100kHz，铁镍钼磁芯适合此
工作频率。
功率开关管T
+
L2OUT
-
I
-+
I’
驱动1
+
I’’驱动2
RL
D
C3
图3二次电源开关工作原理图
对于电感元件磁芯的选用原则为：
尽量低的高频损耗、足够高的
饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性。
储能电感L2既是储能元件，又是输出回路L2、C3滤波器的一部分，
设计时要兼顾两方面的功能作用，并选择合适的L2感量和C3值。
既要获得足够的储能能力，又要获得小的输出纹波，L2的值应选
大些，但L2的值不能过大，不然整个控制电路单元体积增大，重量增
加，意味着航天器体积重量均要增加，会大大增加航天器的发射成本，
9
另外电路的损耗会增大，寄生电容会增加；L2也不能过小，否则不能
满足储能和滤波的需要。
L2的最小电感量可以通过式
（2）计算.
式中：
T（1-D）U0
2
Lmin=
（2）
2I0U0
T—开关周期；
D—占空比；
U0—输出电压；
I0—输出电流。
3.2.3运算放大器增益设计技巧
运算放大器作为信号放大器件在电路中已被广泛应用，有些电路
输入信号很小，需要较高增益才能达到设计技术要求，如果用多级放
大电路，增加了电路的复杂性。
例如有一放大电路增益为1000，一般会选用单级放大器，通常的
用法会接成图4所示电路，用Rf和R1的反馈比来实现增益。
在实际
Rf
10MR1
10k
-
+
图4不能很好工作的一种运放电路
应用中这个电路使用效果很差，甚至使设计失败。
因为10M的电阻在
PCB板上安装，由于各种各样的原因，周围的漏电流已足以超过了电
阻本身流过的电流〔2〕，所设计的增益成为不确定因素。
如果采用如图
10
5电路的设计方法，可达到相同放大倍数且电路稳定。
计算如下：
Rf1VARf2
90k98k
R2R1
V-
1k
10k
V+
-
+
V0
Vi
图5高增益小电阻放大电路
已知：
Vi=10mV，R
1=10K,R2=1K，Rf1=90K，Rf2=98K
Vi=10mV
IR1=Vi/R1=10mV/10K=1μA
VA=Vi+IR1Rf1=10mV+1μA×90K=100mV
IR2=VA/R2=100mV/1K=100μA
V0=VA+（IR1+IR2）Rf2=100mV+（1μA+100μA）98K=10V
所以增益为：
η=V0/V
i=1000
本放大电路用小电阻同样可以得到高增益，通过电阻变换可得到
其它不同增益的放大电路。
3.2.4散热设计
电源作为功率设备会产生热量，功率越大产生的热量越多。
因此
电源设备在系统中要散热，散热可通过传导、对流和辐射方式进行。
然而航天器飞行高度为真空状态，没有对流，散热条件很差，根据航
天器在真空状态的散热特点，传导为最佳散热方式，优化传导散热设
计为首选。
电源设备功率器件一般安装在金属制件的底板或侧板上，
大多数电源设备设计为体箱体结构，箱体由数块金属板状制件拼装而
11
成，金属板间的连接处增加了热阻，热阻示意见图6，通过合理设计
可以减少侧板与底板的连接热阻。
侧板
底板
热阻RCa
图6侧板与底板连接热阻示意图
热阻公式：
Tcmax=Tj-P（Rjc+Rcs+Rsa+Rca）（3）
式中：
Tj——器件芯片温度；
Rjc——芯片内部到外壳的热阻；
Rcs——外壳到散热片的热阻；
Rsa——散热片的热阻；
Rca——材料介质热阻；
P——器件250C时的功耗。
由式（3）可知，唯一可以减少的热阻就是RCa。
所以，设计时将
功率器件的安装侧板与底板采用整块金属板切削加工成L型的整体，
由于整块板材加工，无拼装接缝，消除了介质热阻Rca，热量可以通
过金属制件直接传导到航天器的散热板上（如图7所示）。
功率器件
无热阻RCa
图7两块连接板加工成L状减少热阻示意图
12
3.2.5噪声（EMI）抑制方法
凡是电子设备都会有电磁干扰，电磁干扰产生的噪声有辐射噪声
和传导噪声，其中传导噪声又分共模和差模，这些噪声是由一个到多
个元器件或系统引起的，有本电路产生，也有外部电路或设备产生，
它们混合着各种不同频率，不同能量，通过测试能获知噪声的大小。
噪声会干扰电子线路，需要加以抑制。
抑制噪声的方法很多，根据不
同的噪声类型和不同的频率可采用不同的抑制方法。
a）抑制干扰源
根据奥毕—萨伐尔定律可知，载流长直导线外场存在磁场，磁感
应强度见式（4），原理如图8所示。
式中：
μ0I
B=（4）
2πR
I——长直导线电流
R——磁场到导线轴的距离
μ0——导磁系数
I
R
B
图8载流长直导线外场存在磁场示意图
由此可见载流导线会对周围产生干扰，而且它的强度与电流成正
13
比，与距离成反比，通过辐射和耦合的形式向周边电路形成干扰。
采
用双绞线是一种比较容易实现且低成本最简单抑制这类噪声方法。
将
电源的正负功率线均匀相绞，并且保证在两根相绞正负导线电流走向
相反，两根导线互绕时每一缠绕节间距离最好为1cm，力求均匀相等。
相绞导线留有1cm左右缝隙，可以滤除300MHz—600MHz的噪声信号。
因为考虑天线接收1/4波长为好，而波长、频率和波速的关系如
式（5）：
V
λ=（5）
f
b）合理布线
不合理的布线方式也会产生噪声干扰，一台设备不免要将几块
PCB板、一些较大元器件、部件和一些电连接器等用导线相连接，连
接导线捆扎成数条线束，沿设备空间敷设，设计捆扎线束时必须将所
有的导线按功率、信号、高低频进行分类。
图9所示为功率线和信号线紧靠时的示意图，根据式（4）分析，
大电流导线与小信号导线捆扎在一起，如果两线紧靠，R为最小，B将
趋向于最大，因此干扰噪声也最大。
I
R
B
信号线
图9功率大电流导线与小信号导线捆扎在一起状态
14
图10为实验室电流采样放大器电路实例，图中虚线为采样信号
线，I0为采样电流，VA为采样电压，现将采样信号线远离功率线时和
紧靠功率线两种状况加以分析。
由图10可知，放大器的增益为100，当电压采样线远离功率线时，
放大器输出随输入信号VA线性变化。
当电压采样信号线与功率线紧靠
时，I0由0逐渐增加，当I0接近2A时，V0开始不稳定，输出V0变化大
于增益比，而且不线性。
当VA为40mV采样时,输出V0最大时竟然将
近9V，这样的噪声任何一个电路都不能接受。
只要将采样信号线远离
功率电流线（1cm以外）时，噪声完全消除。
Rf
500k
I0
R1
5k
-
+
V0
R2VA=0-40mV
。
A
图10实验室电流采样放大器电路
采取合理敷设线束，将强弱信号线分开编束敷设，高频和低频信
号线分开编结成束敷设，功率线和小信号线分开敷设，可控制噪声干
扰。
c）合理接地
接地是电子线路设计中最基本的要素之一，接地合理与否，将直
接体现干扰程度，良好合理的接地是消除干扰的一种有效方法。
设计
15
电路时要将不同性质信号的地线分开单独接地，接地点必须选择在电
源退偶电容最近端，通常设计接地装置时会在PCB板上的某一适当位
置留出较大面积作为接地零电位，或干脆设计一块良好导电金属块为
接地零电位，各类接地信号在此处回合，确保接地线电阻值在一定范
围之内而不过大。
不同性质的信号正确接地方法如图11所示。
图12
是错误的接地方法。
从形式上看图11和图12接法并无多大区别，事实上图12的功
率地2移到了数字地和模拟地的右边，功率地2在回线△L上流过电流
I2时产生了导线压降，这个压降是由△L的导线阻值△R和I2产生的，
尽管在实际电路中△L不会很长，有时只有几个毫米，但△L还是存在
一定电阻值，此时的数字地和模拟地已不是真正的零电位，而被抬高
了I2△R，凡是小信号地线不能接在有大电流经过的回线路经上。
U1U2U3U4
功数模功
率字拟率
地地地地
21
L
图11不同性质信号正确接地方法
3.3使用示波器常见问题分析
示波器是电子设计工程师实验室调试和测试电路时常用工具，使
用中有些问题会被忽略。
有些测试人员认为用示波器测试小信号时，
会受到示波器大地回线的干扰，将单相三芯交流电源线改为两芯线使
用，舍去中心接地线，这是一种很危险的操作方法。
殊不知当示波器
舍去中心接地线后，示波器探头正负线上有很高的感应电压，而且有
16
U1U3U4U2
数功
模功
字率
拟率
地地
地地
L
△R
1
I1
I3
I
4
△L
I2
2
图12电路不同性质信号错误接地方法
较大的能量，如果用多用表交流电压档侧量示波器探头感应电压（测
量时负表棒接大地，正表棒分别接示波器探头正端和负端），能测到几
十伏到100多伏的交流电压（使用三芯线无感应电压），如果使用两芯
交流电源线的示波器测量电路，而没有必要的防范措施，对被测设备
内的CMOS电路、运算放大器和一些半导体器件是一个极大的威胁。
以下为示波器使用使用两芯电源线对电路造成电路伤害的实例。
图13为二次电源负反馈控制电路，调节R1和R2可得到一定得反馈比。
有些设计人员为了便于观察电路波形，将示波器探头接在电路上带电
操作，并用电烙铁尝试焊接R3调整基准电压，于是整个电路结构有了
很大的变化，变为如图14所示电路结构。
电压采样反馈
R1
1525
2
1
V-
+
误差放大器
R2R3
图13PWM负反馈控制电路
17
由于示波器使用两芯交流电源线，当示波器探头接在被测电路输
出端时，示波器探头上带有很高的感应电压，并传到了反馈电阻R1上，
因为电路1525的误差放大器是一运放电路，如果在此状况下对运放两
个输入端进行焊接操作，运放被焊接的一输入端通过电烙铁焊头（电
烙铁焊头接交流电中心线）直通大地，于是图14中B点电压为0V，
则另一未被焊接的A点带很高的感应电压，图14中A、B两点形成了
很高的差模电压，实测为70V左右，这个电压超过了运算放大器输入
差模电压的承受范围（一般运放的输入差模电压范围不会超过40V），
足以使运放损坏。
示波器探头（含有很高交流感应电压）
VA：
70V
R1
A
1525
差模电压
R2
V
B
2
1
-
+
误差放大器烙铁头
R3
图14运放输入端形成很高差模电压示意图
另外即使不用电烙铁焊接，使用带有很高感应电压的示波器测量
电路，可能对CMOS电路造成隐形或永久伤害，在实际应用中尽可能避
免这种测试方法。
18
参考文献
〔1〕李国欣.航天器电源系统概论北京：
中国宇航出版社，2008：
25
〔2〕王正仕，张军明.实用开关电源设计〔M〕北京：
人民优点出版社2006：
79
19
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