郝 彬

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一種大功率VME規(guī)范電源的設(shè)計(jì)

郝 彬

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705 研究所, 陜西西安, 710075)

軍用信息處理機(jī)對電源要求很高, 不僅要求電源的輸出穩(wěn)定, 還要求其具有負(fù)載保護(hù)及數(shù)據(jù)保護(hù)措施, 以適應(yīng)初級電源的惡劣變化。本文結(jié)合雷載信息處理機(jī)的具體需求, 設(shè)計(jì)了能夠在18V~50V輸入范圍工作的軍用VME規(guī)范電源, 并對反接保護(hù)、功率保持及電源監(jiān)控等功能模塊進(jìn)行了分析和原理說明。通過與信息處理機(jī)的搭載試驗(yàn)證明該電源有良好的通用性和可靠性, 技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良, 在單槽空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高功率密度、低重量、高效率且智能化的高性能電源。

VME規(guī)范電源; 軍用信息處理機(jī); 反接保護(hù); 功率保持模塊; 電源監(jiān)控模塊

0 引言

新型水中兵器向著智能、寬帶、低頻、高分辨、復(fù)合制導(dǎo)、遠(yuǎn)航程及多平臺發(fā)射等方向發(fā)展, 大量采用了水聲對抗手段及先進(jìn)的目標(biāo)識別技術(shù), 性能和作戰(zhàn)效能不斷提高, 并設(shè)計(jì)了通用的一體化信息處理機(jī), 使其能適用于多種型號魚雷, 從而縮短研制周期并提高性能。為使系統(tǒng)易于調(diào)試和控制, 將使用標(biāo)準(zhǔn)VME(versa module eurocard)總線來控制和連接多塊信號處理板。由于軍用武器系統(tǒng)的特殊使用環(huán)境, 一旦電源供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障, 將會(huì)使武器系統(tǒng)中的信息處理機(jī)工作異常, 最終引發(fā)整個(gè)武器系統(tǒng)的失效。同時(shí)基于VME規(guī)范電源的特殊要求, 通用的電源模塊無法產(chǎn)生VME系統(tǒng)必要的SYSRESET*、ACFAIL*信號, 并且電源間的啟動(dòng)缺少一定的時(shí)序關(guān)系。

本文根據(jù)新型自導(dǎo)信息處理機(jī)對電源系統(tǒng)的特殊要求, 設(shè)計(jì)了一種高可靠性、高效率、通用的大功率雷載VME規(guī)范電源系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案, 對其中的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析, 并提出了解決辦法。

1 原理與組成

根據(jù)VME總線系統(tǒng)規(guī)范的要求, VME機(jī)箱電源監(jiān)控模塊的集電極開路驅(qū)動(dòng)信號線ACFAIL*、SYSRESET*應(yīng)滿足下列規(guī)范: 低電平狀態(tài)下的吸收電流不小于48 mA; 低電平狀態(tài)下的電壓不大于0.6 V(吸收電流等于48 mA)。并且它們與電源輸出的時(shí)間關(guān)系要符合VME總線系統(tǒng)規(guī)范要求。

本設(shè)計(jì)方案采用了18~50V輸入電壓的高轉(zhuǎn)換效率的DC/DC模塊, 同時(shí)結(jié)合控制、保護(hù)及功率保持電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有模塊化、集成化及高功率密度的高性能電源, 其原理圖如圖1所示。該電源主要由反接保護(hù)模塊、輸入輸出濾波及電磁干擾(electro magnetic interference, EMI)抑制模塊、功率保持電路、DC/DC模塊及監(jiān)控保護(hù)等模塊組成。其中DC/DC模塊完成電壓的隔離轉(zhuǎn)換, 將輸入電壓轉(zhuǎn)換為信息處理機(jī)所需的四路電壓。

圖1 VME規(guī)范電源原理圖

2 監(jiān)控及保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

相對于昂貴的負(fù)載而言, 電源保護(hù)電路的應(yīng)用是必要的, 缺乏保護(hù)的電源在惡劣的環(huán)境下難以可靠工作。保護(hù)電路的設(shè)計(jì)不僅要承擔(dān)保護(hù)負(fù)載的責(zé)任, 還要防止電源模塊的意外損壞。

為防止安裝電源時(shí)將極性接反或當(dāng)電源輸入極性發(fā)生改變時(shí)損壞電源電路, 采用了反接保護(hù)模塊。本文采用雙N管金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metallic oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)組成電源極性反接保護(hù)模塊, 以提高轉(zhuǎn)換效率。其原理圖如圖2所示。

圖2 反接保護(hù)模塊電路原理圖

當(dāng)輸入電源正接時(shí), MOSFET因正向偏壓而導(dǎo)通, 使輸入電壓正常接入后級電路; 當(dāng)輸入電源反接時(shí), MOSFET因反向而截止, 此時(shí)輸入電壓無法進(jìn)入后級電路, 從而達(dá)到輸入反接保護(hù)的作用。需要注意的是由于MOSFET的VGS耐壓有限, 為保護(hù)MOSFET不致過壓燒毀, 需要增加穩(wěn)壓二極管和限流電阻, 如圖2中及。圖中為浪涌抑制二極管。

監(jiān)測電路的作用是當(dāng)檢測出某一路輸出電源欠壓、過壓等故障時(shí), 產(chǎn)生電源監(jiān)測信號通過VME總線通知系統(tǒng), 并對輸出電源采取相應(yīng)保護(hù)措施。設(shè)計(jì)中分別從電源輸入端及各路輸出端檢測電壓, 當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定的過壓和欠壓值時(shí), 該監(jiān)視電路產(chǎn)生ACFAIL*,SYSFAIL*及SYSRESET*3組電源監(jiān)測信號, 通知各功能板保存數(shù)據(jù)并重新啟動(dòng), 過載并切斷電源輸出。其中: ACFAIL*表示輸入電源故障, 反映系統(tǒng)輸入電源是否出現(xiàn)故障; SYSRESET *表示系統(tǒng)復(fù)位, 反映系統(tǒng)是否處于復(fù)位狀態(tài); SYSFAIL*表示輸出電源故障, 當(dāng)系統(tǒng)輸出電源欠壓或過壓時(shí), SYSFAIL*信號有效。三者均由過壓欠壓監(jiān)控及保護(hù)電路監(jiān)視和控制, 并且都由集電極開路驅(qū)動(dòng), 低電平有效。當(dāng)系統(tǒng)輸入電源出現(xiàn)故障時(shí), 過壓欠壓監(jiān)控及保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)ACFAIL*為低并向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號, 同時(shí)切斷27 V輸入電源, 通過功率保持電路向DC/DC模塊提供能量, 保證系統(tǒng)及時(shí)而有秩序地關(guān)閉; 當(dāng)VME系統(tǒng)再次上電時(shí), 過壓欠壓監(jiān)控及保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)SYSRESET*為低, 使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)。監(jiān)測電路的原理圖如圖3所示。圖中ON/OFF信號為DC/DC模塊過壓關(guān)閉信號, 用于當(dāng)負(fù)載故障時(shí)防止電源模塊意外損壞。

檢測電路的設(shè)計(jì)采用新型電源電壓監(jiān)控器件LTC2912與LTC2914, 該器件具有±1.5%門限精度及電源干擾濾波, 因此能夠精確監(jiān)測電源的輸入輸出電壓, 以確保所設(shè)計(jì)的電源能夠在系統(tǒng)容許的范圍內(nèi)運(yùn)行。

當(dāng)VME電源啟動(dòng)時(shí), ACFAIL*與SYSRESET*信號均處于有效狀態(tài)(低電平), 隨著電源的輸出電壓逐漸上升, 當(dāng)輸出的+5 V電壓大于4.875 V后, 由監(jiān)測模塊產(chǎn)生的ACFAIL*信號轉(zhuǎn)為無效狀態(tài)(高電平), 此時(shí)由監(jiān)測模塊產(chǎn)生的SYSRESET*信號繼續(xù)保持有效狀態(tài)至少200 ms, 以確保信息處理機(jī)各組件穩(wěn)定可靠的進(jìn)入初始狀態(tài), 監(jiān)測模塊再將SYSRESET*信號轉(zhuǎn)為無效狀態(tài)(高電平)。其啟動(dòng)時(shí)序符合圖4所示的時(shí)序關(guān)系。

在200個(gè)結(jié)節(jié)中共有138個(gè)為良性結(jié)節(jié)，同時(shí)存在 62個(gè)為惡性結(jié)節(jié)，在所有的惡性結(jié)節(jié)中，其中共有54個(gè)為乳頭狀癌，2個(gè)是轉(zhuǎn)移癌，4個(gè)是濾泡狀腺癌，2個(gè)是髓樣癌。

圖3 監(jiān)測電路原理圖

圖4 VME電源啟動(dòng)時(shí)序圖

當(dāng)電源即將關(guān)斷時(shí), 監(jiān)測模塊將ACFAIL*信號轉(zhuǎn)為有效狀態(tài), 同時(shí)由監(jiān)測模塊產(chǎn)生的SYSRESET*信號將繼續(xù)保持無效狀態(tài)(高電平)至少8 ms, 8 ms后監(jiān)測模塊將SYSRESET*信號轉(zhuǎn)為有效狀態(tài)(低電平), 此時(shí)ACFAIL*信號將繼續(xù)保持有效狀態(tài), 至少10 ms后監(jiān)測模塊方可產(chǎn)生關(guān)斷信號, 切斷電源輸出。以保證信息處理機(jī)其他組件接收到ACFAIL*信號后具有足夠的時(shí)間將信息保存至存儲(chǔ)器。其時(shí)序符合圖5所示的時(shí)序關(guān)系。

方案中選用的DC/DC模塊均帶有完善的過流保護(hù)措施, 因此過電流保護(hù)并不是模塊化電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖5 VME電源關(guān)斷時(shí)序圖

3 功率保持電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到由于突然掉電, 有些重要數(shù)據(jù)或者操作來不及進(jìn)行保護(hù)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況, 本方案中設(shè)計(jì)了功率保持電路以維持信息處理機(jī)在非正常掉電時(shí)進(jìn)行狀態(tài)記錄。為了實(shí)現(xiàn)以較小的電容容量獲得盡量長的放電時(shí)間, 電路結(jié)構(gòu)須進(jìn)行優(yōu)化處理。若采用Buck結(jié)構(gòu), 效率會(huì)有所提高, 但會(huì)有較大電容電荷不能利用; 采用升降壓結(jié)構(gòu)的Buck-Boost產(chǎn)生的反壓直接利用會(huì)有困難; 采用高頻變壓器隔離的拓?fù)? 在效率、功率密度等方面均有一定限制。

綜合考慮, 本文采用電容容量較為合理非隔離升壓拓?fù)涫浇Y(jié)構(gòu), 其主要工作過程為: 當(dāng)電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)(輸入電壓大于18 V)后功率保持模塊進(jìn)入充電模式, 對儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電, 該過程持續(xù)約2 s; 充電結(jié)束后, 該模塊自動(dòng)進(jìn)入正常工作模式; 當(dāng)系統(tǒng)輸入電源下降至18 V或失效時(shí), 監(jiān)測模塊將ACFAIL*信號轉(zhuǎn)換為有效狀態(tài), 通知自導(dǎo)信息處理機(jī)內(nèi)其他組件即將斷電, 同時(shí)通過控制信號將功率保持模塊由正常工作模式轉(zhuǎn)換為功率保持模式, 對DC/DC進(jìn)行供電, 使得自導(dǎo)信息處理機(jī)擁有充足的備用時(shí)間。該電路具有以下3種工作模式：

1) 充電操作模式: 正常輸入條件下(27VDC± 10%), 輸入輸出通過金屬-氧化物-半導(dǎo)體管(metal oxide semiconductor, MOS)導(dǎo)通, 保持電路會(huì)對外加保持電容充電, 約48 V后達(dá)到穩(wěn)定, 而輸出電壓和輸入電壓保持同步并低于輸入電壓0.4 V;

2) 正常工作模式: 在電容充飽后, 輸入母線電壓在18 ~50 V之間時(shí), 輸入輸出的壓差小于400 mV;

圖6 功率保持電路原理圖

該電路利用調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來控制輸出電壓。開關(guān)管關(guān)斷與開通交替進(jìn)行, 電感交替的存儲(chǔ)和釋放能量,儲(chǔ)能后使電壓上升。而電容則將輸出電壓保持平衡, 輸出輸入電壓關(guān)系為:=(+) /。只需要通過改變開關(guān)管通斷占空比即可得到所需輸出電壓。電容為保持電容, 用于儲(chǔ)存能量, 在電源失效時(shí)給DC-DC變換器供電, 其容值選擇可參考下式

=2×(+0.01)/(48-18) (1)

式中:為所需要的電容值;為保持電路輸出功率;為所需要保持的時(shí)間。

由于掉電保護(hù)時(shí)間較短, 功率元件降額使用不必太苛刻。

4 結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)

電源結(jié)構(gòu)件由盒體和蓋板組成, 內(nèi)部安裝一塊印制件, 盒體內(nèi)留有凸臺以固定該印制件。電源發(fā)熱量大的模塊等器件直接安裝在電源殼上, 以減小熱阻, 降低電源溫升。電源通過兩側(cè)的鎖緊條與整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。

電源在使用和運(yùn)輸過程中, 將承受振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境的作用, 當(dāng)振動(dòng)加速度或沖擊力超過了設(shè)備所能承受的極限強(qiáng)度, 設(shè)備將不同程度地受到損害。其表現(xiàn)為: 電路印制板上的電路參數(shù)不穩(wěn)定、精度下降、元器件焊點(diǎn)斷裂、管腳損傷, 緊固件松動(dòng)及機(jī)箱結(jié)構(gòu)件變形等。這些故障大大地降低了電源的可靠性, 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。為保證電源長時(shí)間可靠地工作, 必須依據(jù)環(huán)境要求對其進(jìn)行抗振加固設(shè)計(jì)。電源采用的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)主要是提高電源結(jié)構(gòu)件的剛性化。結(jié)構(gòu)件剛性化的目的是為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件自身抗振能力, 減小振動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)的變形。電源的機(jī)箱由比強(qiáng)度、比剛度較大的硬鋁合金(2A12)厚板料加工的盒體與蓋板組成, 有效厚度2 mm。為了增加印制板的剛度, 采用厚度為2.6 mm的印制板, 通過螺釘與盒體的凸臺相連, 使得組裝后的電源機(jī)箱具有較好的剛性。其外形示意圖如圖7所示。

圖7 電源外形示意圖

熱設(shè)計(jì)的目的是降低電子元器件的表面溫度, 保證電子元器件能長期可靠工作。電源中所有的DC/DC模塊焊接在印刷電路板 (printed circuit board, PCB)板上, 其散熱面安裝在電源殼體上, 電源板通過鎖緊條緊固在整機(jī)插槽后, 電源上蓋緊貼整機(jī)外殼, 從而增大了散熱面積, 電源的熱量可通過機(jī)殼良好的散出, 以降低電源溫升, 提高電源的可靠性。通過使用Mentor公司的HyperLynx軟件對電源裸板進(jìn)行熱分析, 結(jié)果如圖8所示。

圖8 熱分析圖

從圖中可以看出, 未安裝散熱器的電源板在室溫20℃的條件下滿載工作的最高溫度約為65℃。當(dāng)安裝好散熱外殼后, 以導(dǎo)冷的方式對電源進(jìn)行散熱, 經(jīng)實(shí)際工作測量, 在230W輸出功率條件下連續(xù)工作1小時(shí)后, 外殼溫度小于45℃。

5 結(jié)束語

本文針對雷載計(jì)算機(jī)工作條件惡劣, 對電源的性能和可靠性要求高等特點(diǎn), 選用國外高性能的DC/DC模塊, 結(jié)合監(jiān)控、保護(hù)電路及功率保持電路, 成功設(shè)計(jì)出一種高性能、高可靠性及高轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算機(jī)電源。其技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良, 工作性能穩(wěn)定可靠, 符合VME系統(tǒng)規(guī)范的要求, 并且具有模塊化、集成化及便于安裝等特點(diǎn)。

通過與自導(dǎo)信息處理機(jī)的搭載試驗(yàn)證明, 該產(chǎn)品取得了預(yù)期的效果, 可在18 V~50 V輸入電壓范圍內(nèi)正常穩(wěn)定的工作, 轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85%以上, 可提供最大450 W的輸出功率, 其輸出紋波電壓滿載時(shí)小于20 mVpp, 掉電保護(hù)模塊可在150 W的輸出功率條件下維持系統(tǒng)供電約20 ms, 在230 W輸出功率條件下連續(xù)工作1小時(shí)的外殼溫度小于45℃, 其余功能模塊均滿足VME規(guī)范電源指標(biāo)要求。該VME電源的成功研制, 為整個(gè)信息處理機(jī)的穩(wěn)定工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中, 具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Design of High-power VME Specification Power Supply System

HAO Bin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Military information processor requires a high performance power supply with stable output, load protection, and data protection to adapt the severe variation in output of fore-power. We designed a high performance and high-power Versa Module Eurocard(VME) specification power supply which can work in the input voltage range of 18V~50V according to the requirement of a certain military information processor, and analyzed the polarity protection module, the power keeping module, and the power supply monitoring module. Test on the information processor illustrates that this power supply gains excellent universality and reliability, and stable performance. The one-slot power supply possesses the virtues of higher power density, less weight, higher efficiency, and intelligence.

versa module eurocard(VME) specification power supply; militaryinformation processor; polarity protection; power keeping module; power supply monitoring module

TJ630.2; TN86

A

1673-1948(2011)06-0423-05

2011-03-09;

2011-04-29.

郝 彬(1977-), 男, 工程師, 研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件.