張澤宇，孟得東，馬繼坤，葛啟幀

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071）

一種高可靠性、高密度的冗余電源設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張澤宇1，孟得東1，馬繼坤2，葛啟幀1

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071）

介紹了一種高可靠性、高密度的冗余電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用VICOR公司的高密度、高可靠性磚型電源模塊完成冗余電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可將船舶上AC220 V、DC220 V、DC24 V等不同類(lèi)型輸入電源轉(zhuǎn)換成設(shè)備所需的24 V電源，同時(shí)可監(jiān)測(cè)電源的實(shí)時(shí)狀態(tài)，具有高密度、高可靠性、智能化的特點(diǎn)。

冗余電源 VICOR STM32

0 引言

隨著船舶電氣化的發(fā)展，對(duì)電源系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，本文設(shè)計(jì)了一種高可靠性冗余電源，該電源系統(tǒng)主要完成對(duì)輸入電源的電源濾波、電氣隔離及電壓轉(zhuǎn)換，為負(fù)載設(shè)備提供工作所需的電源。該系統(tǒng)具有AC220 V、DC220 V及DC24 V電源輸入接口，當(dāng)輸入電源失電時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)備用電池供電至少2 h。電源管理及轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電源輸入不斷電切換，保證設(shè)備供電的連續(xù)性，可監(jiān)測(cè)電源裝置輸入輸出端故障，并附帶兩路CAN通訊接口，可與其他監(jiān)控設(shè)備通訊。該電源裝置具有智能化、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

1 冗余電源系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)由蓄電池、電源模塊、控制模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

電源系統(tǒng)通過(guò)電源模塊完成主用電（AC220 V，DC175～320 V）和備用電（DC24 V）的電源轉(zhuǎn)換，電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電源輸入不斷電切換，保證設(shè)備供電的連續(xù)性。為保證控制模塊的不斷電工作，控制模塊從電源模塊輸出端取電?？刂颇K可對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控電源系統(tǒng)中的故障信息，并將相關(guān)信息通過(guò)CAN總線傳輸給船舶的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)船舶的監(jiān)控系統(tǒng)也可以通過(guò)CAN總線向控制模塊發(fā)送關(guān)機(jī)指令，切斷系統(tǒng)的工作。

2 電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求電源轉(zhuǎn)換模塊的輸入范圍廣，形式多樣，輸出電壓精度高，噪聲低。根據(jù)需求可選擇板型電源模塊或磚型電源模塊。板型電源模塊技術(shù)成熟、選擇多樣、價(jià)格便宜，但體積較大。磚型電源模塊功率較小、價(jià)格高昂，但體積遠(yuǎn)小于板型電源模塊。為滿(mǎn)足系統(tǒng)性能指標(biāo)及小型化的技術(shù)要求，選用磚型電源模塊。

電源模塊采用國(guó)外知名品牌VICOR公司的電源模塊，VICOR公司電源模塊支持輸入電壓包括185～264 V AC、175～375 V DC、24 V DC，輸出電壓為24 V DC。VICOR公司電源模塊工作溫度范圍寬，輸入電壓范圍寬，輸出電壓紋波小、精度高、噪聲低，具備短路、過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)溫保護(hù)功能，可靠性高，安全性好[1]。

如圖2所示，整流單元采用整流模塊FARM，與后端的DC-DC轉(zhuǎn)換器配套可組成自動(dòng)調(diào)節(jié)整流、高密度、薄身的電源系統(tǒng)。后端的DC-DC轉(zhuǎn)換器采用VICOR公司的Maxi轉(zhuǎn)換器模塊，該系列DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入范圍寬、效率在85%以上、功率密度高達(dá)120 W/in3、3000 V電氣隔離，具備輸入欠壓封鎖、輸出過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等功能[2]。

圖2 電源轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)

BatMod電池充電器模塊是以VICOR公司DC-DC轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的可編程電流源模塊。它的輸入電壓有48 VDC, 150 VDC和300 VDC三種選擇，在本系統(tǒng)中選用輸入電壓為300 VDC的型號(hào)，該模塊提供可編程的輸出電流及可調(diào)的輸出電壓，可以根據(jù)電池的不同來(lái)進(jìn)行編程輸出，適用于大部份的電池種類(lèi)，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需要。

在系統(tǒng)圖中，AC和DC175～320 V輸入構(gòu)建300 V母線系統(tǒng)，300 V母線通過(guò)300 V/24 V電源模塊轉(zhuǎn)換成所需的24 V電源，同時(shí)通過(guò)300 V/24 V電池充電器模塊給24 V電池組充電，DC24 V輸入和24 V電池分別使用24 V/24 V電源模塊轉(zhuǎn)換成所需的24 V電源。

在AC和DC同時(shí)輸入的情況下，優(yōu)選AC供電；AC斷電情況下，切換到DC（175-320）V供電，當(dāng)前面兩種電源都失效的情況下，切換到DC24 V供電；AC與DC同時(shí)斷電的情況下，切換至備用電池供電。

電源單元輸入端有AC或DC輸入后，電源轉(zhuǎn)換模塊在實(shí)現(xiàn)其正常轉(zhuǎn)換，對(duì)后端用電設(shè)備正常供電的同時(shí)，同時(shí)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，保證蓄電池組處于滿(mǎn)充狀態(tài)。蓄電池組充電至滿(mǎn)的時(shí)間不超過(guò)6 h。

2.2 控制模塊的設(shè)計(jì)

圖3 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)示意圖

控制單元使用ARM微控制器作為主控制器，ARM微控制器具有功耗小，高性能的特性。在本系統(tǒng)中采用基于Cortex-M3架構(gòu)的STM32F105微處理器，該處理器擁有以下特性：

● 工作速度快：最高72 MHz工作頻率；最大512 K字節(jié)的閃存；高達(dá)64 K的SRAM[3]；

● 擁有眾多外設(shè)：最多3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)21個(gè)輸入通道）；2通道12位DA轉(zhuǎn)換器；多達(dá)11個(gè)定時(shí)器；

● 通信端口多：2個(gè)I2C接口，5個(gè)USART接口（可拓展為RS232/485/422），3個(gè)SPI接口，2個(gè)CAN接口（2.0b）。

● 低功耗，高性能，工作溫度范圍為-40℃～+105℃。

控制模塊主要完成以下功能：

1）通訊功能。通訊采用CAN協(xié)議，波特率125 kbps，支持CAN2.0b規(guī)范，兼容CAN2.0a規(guī)范。采用光電隔離，隔離電壓大于2500 V。

由于選用的STM32F105系統(tǒng)微控制器自帶2 個(gè)CAN接口（支持2.0b協(xié)議），只需要使用最基本的CAN收發(fā)芯片TJA1040搭建最基本的電路，在電路設(shè)計(jì)中，為保證CAN通信的穩(wěn)定性，采用開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行CAN通信電源的電氣隔離。

2）關(guān)機(jī)功能。如圖1所示，當(dāng)控制模塊接收到船舶監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的關(guān)機(jī)指令，控制模塊可控制相應(yīng)繼電器和模塊使能端斷開(kāi)，切斷外部供電，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)操作。同時(shí)當(dāng)蓄電池供電超過(guò)2 h之后，控制系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)信息至船舶監(jiān)控系統(tǒng)，由船舶監(jiān)控系統(tǒng)判斷是否切斷供電。

3）監(jiān)測(cè)電源轉(zhuǎn)換模塊故障狀態(tài)。具備自身故障監(jiān)測(cè)能力，包括電源輸入故障、電源轉(zhuǎn)換故障、蓄電池充放電狀態(tài)等，并實(shí)時(shí)將狀態(tài)信息通過(guò)CAN接口發(fā)送到主機(jī)單元。

控制模塊完成對(duì)電源輸入端的監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)VICOR的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，控制模塊可監(jiān)測(cè)輸入電壓，當(dāng)以上任何參數(shù)超出其指定的操作范圍時(shí)，模塊會(huì)關(guān)閉以完成對(duì)VICOR模塊的保護(hù)?？刂颇K通過(guò)監(jiān)測(cè)VICOR電源模塊，將故障信息通過(guò)CAN通訊發(fā)送給船舶監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)控制模塊通過(guò)監(jiān)測(cè)BatMod充電器判斷電池是否處于充電狀態(tài)。

4）具備供電狀態(tài)指示，自檢狀態(tài)報(bào)警功能。

如圖4所示，具備供電狀態(tài)指示，分別為220 V AC供電正常，175～320 V DC供電正常，24 VDC供電正常，電池供電正常，輸出正常。控制系統(tǒng)的狀態(tài)指示可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3 蓄電池的選取

蓄電池選用中船重工712所6FM系列閥控式密封鉛酸蓄電池，該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

圖4 供電狀態(tài)圖

1）密封結(jié)構(gòu)：6FM系列閥控式密封鉛酸蓄電池具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)并采用了先進(jìn)的密封技術(shù)，確保電解液不會(huì)溢出，不漏酸、無(wú)酸霧，不污染環(huán)境。

2）良好的放電性能：內(nèi)阻非常小，大電流放電性能強(qiáng)。

3）自放電?。翰捎酶呒兌鹊脑牧虾吞砑觿?，使電池在儲(chǔ)存或不使用時(shí)的自放電率大大降低，25℃下，28天內(nèi)自放電率小于2.4%。

4）免維護(hù)：具有良好的氧循環(huán)復(fù)合能力，充電時(shí)所產(chǎn)生的氧氣幾乎被完全吸收，使用時(shí)不需要測(cè)量電解液的密度。

5）電池壽命長(zhǎng)：采用特殊的合金板柵，堅(jiān)固耐用的阻燃ABS樹(shù)脂，高純度的超細(xì)玻璃纖維隔板，精密開(kāi)啟的安全閥，先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)使電池具有很長(zhǎng)的使用壽命和耐用性。

6）結(jié)構(gòu)緊湊，抗震性能好，安裝方便，可采用屏、架式安裝，減少占地面積。且對(duì)安裝場(chǎng)地要求較小。

7）電池使用溫度范圍廣，可在溫度-20℃～+60℃的工作場(chǎng)所工作，貯存溫度可到-40℃～+70℃。

3 電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱采用密封式結(jié)構(gòu)，電源模塊在工作時(shí)發(fā)熱量較大，對(duì)于VICOR電源模塊來(lái)講，簡(jiǎn)化散熱管理是使用VICOR電源模塊的優(yōu)點(diǎn)之一。電源模塊的操作效率高，兼之薄身的封裝，減小了熱損耗。適當(dāng)?shù)纳峁芾砟軌蛴行Ц纳齐娫崔D(zhuǎn)換模塊和系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、縮小體積和降低產(chǎn)品的使用周期成本。

紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性﹑延展性和耐蝕性，為了盡量加大散熱量，電源轉(zhuǎn)換模塊殼體選用紫銅材料。這是因?yàn)橥瑫r(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到模塊的散熱性，電源轉(zhuǎn)換模塊的殼體與箱體的接觸面積盡可能大，并在兩者接觸面涂上導(dǎo)熱硅脂。見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖5所示。

圖5 電源轉(zhuǎn)換模塊和電池示意圖

電池可以與箱體緊密接觸，因此把電池放在這個(gè)箱體底面上，上面用一個(gè)4 mm厚度的鋼板焊接的框架對(duì)電池進(jìn)行固定。然后在框架和銅板上打孔安裝在電池安裝架上。而為了保證電源模塊的加固性，將電源模塊固定在電池框架和底板上。電源模塊緊貼在紫銅板上，同時(shí)另一面紫銅板緊貼在箱體底面，保證模塊的散熱性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于VICOR模塊的高密度、高可靠性的冗余電源。同時(shí)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微控制處理器作為控制模塊核心，完成對(duì)電源模塊的監(jiān)控并將相應(yīng)的狀態(tài)信息通過(guò)CAN通訊的方式傳輸至其他設(shè)備，在船舶上有非常廣泛的應(yīng)用，具有高密度、安全可靠、智能化等特點(diǎn)。

[1] Vicor Inc. 全型、小型、微型系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器及配件模塊設(shè)計(jì)指南和應(yīng)用手冊(cè), 2011, 09.

[2] Vicor Inc. Design Guide & Applications Manual For VI-200 and VI-J00 Family DC-DC Convertersand Configurable Power Supplies, 2013,12.

[3] 劉波文. ARM Cortex-M3應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解[M]. 北京∶電子工業(yè)出版社, 2011∶ 3～5.

Design and Implementation of a High-reliability, High-density Redundant Power Supply

Zhang Zeyu1, Meng Dedong1, Ma Jikun2, Ge Qizhen1
(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China; 2.Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China)

This article describes the design of a high-reliability, high-density redundant power systems. In this paper, VICOR's high-density, high-reliability power supply module is used for the design of brick redundant power system, which can convert different types of input power on the ship, such as AC220V, DC220V, DC24V, into the 24V power supply required, and the system is used to monitor the real-time status of the power system, with high density, high reliability, intelligent features.

redundant power; VICOR; STM32

TP274

A

1003-4862（2015）06-0022-04

2015-03-14

張澤宇（1989-），男，工程師。研究方向：船舶監(jiān)控系統(tǒng)。