一種大功率VME規范電源的設計

郝 彬

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一種大功率VME規范電源的設計

郝 彬

(中國船舶重工集團公司第705 研究所, 陜西西安, 710075)

軍用信息處理機對電源要求很高, 不僅要求電源的輸出穩定, 還要求其具有負載保護及數據保護措施, 以適應初級電源的惡劣變化。本文結合雷載信息處理機的具體需求, 設計了能夠在18V~50V輸入范圍工作的軍用VME規范電源, 并對反接保護、功率保持及電源監控等功能模塊進行了分析和原理說明。通過與信息處理機的搭載試驗證明該電源有良好的通用性和可靠性, 技術指標優良, 在單槽空間內實現了高功率密度、低重量、高效率且智能化的高性能電源。

VME規范電源; 軍用信息處理機; 反接保護; 功率保持模塊; 電源監控模塊

0 引言

新型水中兵器向著智能、寬帶、低頻、高分辨、復合制導、遠航程及多平臺發射等方向發展, 大量采用了水聲對抗手段及先進的目標識別技術, 性能和作戰效能不斷提高, 并設計了通用的一體化信息處理機, 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。為使系統易于調試和控制, 將使用標準VME(versa module eurocard)總線來控制和連接多塊信號處理板。由于軍用武器系統的特殊使用環境, 一旦電源供電系統出現故障, 將會使武器系統中的信息處理機工作異常, 最終引發整個武器系統的失效。同時基于VME規范電源的特殊要求, 通用的電源模塊無法產生VME系統必要的SYSRESET*、ACFAIL*信號, 并且電源間的啟動缺少一定的時序關系。

本文根據新型自導信息處理機對電源系統的特殊要求, 設計了一種高可靠性、高效率、通用的大功率雷載VME規范電源系統的具體設計方案, 對其中的難點及關鍵點進行了分析, 并提出了解決辦法。

1 原理與組成

根據VME總線系統規范的要求, VME機箱電源監控模塊的集電極開路驅動信號線ACFAIL*、SYSRESET*應滿足下列規范: 低電平狀態下的吸收電流不小于48 mA; 低電平狀態下的電壓不大于0.6 V(吸收電流等于48 mA)。并且它們與電源輸出的時間關系要符合VME總線系統規范要求。

本設計方案采用了18~50V輸入電壓的高轉換效率的DC/DC模塊, 同時結合控制、保護及功率保持電路設計實現了具有模塊化、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模塊及監控保護等模塊組成。其中DC/DC模塊完成電壓的隔離轉換, 將輸入電壓轉換為信息處理機所需的四路電壓。

圖1 VME規范電源原理圖

2 監控及保護模塊設計

相對于昂貴的負載而言, 電源保護電路的應用是必要的, 缺乏保護的電源在惡劣的環境下難以可靠工作。保護電路的設計不僅要承擔保護負載的責任, 還要防止電源模塊的意外損壞。

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

圖2 反接保護模塊電路原理圖

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

監測電路的作用是當檢測出某一路輸出電源欠壓、過壓等故障時, 產生電源監測信號通過VME總線通知系統, 并對輸出電源采取相應保護措施。設計中分別從電源輸入端及各路輸出端檢測電壓, 當輸出電壓超過設定的過壓和欠壓值時, 該監視電路產生ACFAIL*,SYSFAIL*及SYSRESET*3組電源監測信號, 通知各功能板保存數據并重新啟動, 過載并切斷電源輸出。其中: ACFAIL*表示輸入電源故障, 反映系統輸入電源是否出現故障; SYSRESET *表示系統復位, 反映系統是否處于復位狀態; SYSFAIL*表示輸出電源故障, 當系統輸出電源欠壓或過壓時, SYSFAIL*信號有效。三者均由過壓欠壓監控及保護電路監視和控制, 并且都由集電極開路驅動, 低電平有效。當系統輸入電源出現故障時, 過壓欠壓監控及保護電路驅動ACFAIL*為低并向系統發出報警信號, 同時切斷27 V輸入電源, 通過功率保持電路向DC/DC模塊提供能量, 保證系統及時而有秩序地關閉; 當VME系統再次上電時, 過壓欠壓監控及保護電路驅動SYSRESET*為低, 使整個系統進入初始狀態。監測電路的原理圖如圖3所示。圖中ON/OFF信號為DC/DC模塊過壓關閉信號, 用于當負載故障時防止電源模塊意外損壞。

檢測電路的設計采用新型電源電壓監控器件LTC2912與LTC2914, 該器件具有±1.5%門限精度及電源干擾濾波, 因此能夠精確監測電源的輸入輸出電壓, 以確保所設計的電源能夠在系統容許的范圍內運行。

當VME電源啟動時, ACFAIL*與SYSRESET*信號均處于有效狀態(低電平), 隨著電源的輸出電壓逐漸上升, 當輸出的+5 V電壓大于4.875 V后, 由監測模塊產生的ACFAIL*信號轉為無效狀態(高電平), 此時由監測模塊產生的SYSRESET*信號繼續保持有效狀態至少200 ms, 以確保信息處理機各組件穩定可靠的進入初始狀態, 監測模塊再將SYSRESET*信號轉為無效狀態(高電平)。其啟動時序符合圖4所示的時序關系。

在200個結節中共有138個為良性結節，同時存在 62個為惡性結節，在所有的惡性結節中，其中共有54個為乳頭狀癌，2個是轉移癌，4個是濾泡狀腺癌，2個是髓樣癌。

圖3 監測電路原理圖

圖4 VME電源啟動時序圖

當電源即將關斷時, 監測模塊將ACFAIL*信號轉為有效狀態, 同時由監測模塊產生的SYSRESET*信號將繼續保持無效狀態(高電平)至少8 ms, 8 ms后監測模塊將SYSRESET*信號轉為有效狀態(低電平), 此時ACFAIL*信號將繼續保持有效狀態, 至少10 ms后監測模塊方可產生關斷信號, 切斷電源輸出。以保證信息處理機其他組件接收到ACFAIL*信號后具有足夠的時間將信息保存至存儲器。其時序符合圖5所示的時序關系。

方案中選用的DC/DC模塊均帶有完善的過流保護措施, 因此過電流保護并不是模塊化電源保護電路設計的重點。

圖5 VME電源關斷時序圖

3 功率保持電路設計

在設計中經常會遇到由于突然掉電, 有些重要數據或者操作來不及進行保護而導致數據丟失的情況, 本方案中設計了功率保持電路以維持信息處理機在非正常掉電時進行狀態記錄。為了實現以較小的電容容量獲得盡量長的放電時間, 電路結構須進行優化處理。若采用Buck結構, 效率會有所提高, 但會有較大電容電荷不能利用; 采用升降壓結構的Buck-Boost產生的反壓直接利用會有困難; 采用高頻變壓器隔離的拓撲, 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撲式結構, 其主要工作過程為: 當電源進入正常工作狀態(輸入電壓大于18 V)后功率保持模塊進入充電模式, 對儲能電容進行充電, 該過程持續約2 s; 充電結束后, 該模塊自動進入正常工作模式; 當系統輸入電源下降至18 V或失效時, 監測模塊將ACFAIL*信號轉換為有效狀態, 通知自導信息處理機內其他組件即將斷電, 同時通過控制信號將功率保持模塊由正常工作模式轉換為功率保持模式, 對DC/DC進行供電, 使得自導信息處理機擁有充足的備用時間。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-半導體管(metal oxide semiconductor, MOS)導通, 保持電路會對外加保持電容充電, 約48 V后達到穩定, 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, 輸入輸出的壓差小于400 mV;

圖6 功率保持電路原理圖

該電路利用調節開關管的占空比來控制輸出電壓。開關管關斷與開通交替進行, 電感交替的存儲和釋放能量,儲能后使電壓上升。而電容則將輸出電壓保持平衡, 輸出輸入電壓關系為:=(+) /。只需要通過改變開關管通斷占空比即可得到所需輸出電壓。電容為保持電容, 用于儲存能量, 在電源失效時給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;為所需要保持的時間。

由于掉電保護時間較短, 功率元件降額使用不必太苛刻。

4 結構及散熱設計

電源結構件由盒體和蓋板組成, 內部安裝一塊印制件, 盒體內留有凸臺以固定該印制件。電源發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。電源通過兩側的鎖緊條與整機進行結構連接。

電源在使用和運輸過程中, 將承受振動、沖擊等力學環境的作用, 當振動加速度或沖擊力超過了設備所能承受的極限強度, 設備將不同程度地受到損害。其表現為: 電路印制板上的電路參數不穩定、精度下降、元器件焊點斷裂、管腳損傷, 緊固件松動及機箱結構件變形等。這些故障大大地降低了電源的可靠性, 會產生嚴重的后果。為保證電源長時間可靠地工作, 必須依據環境要求對其進行抗振加固設計。電源采用的抗力學環境設計主要是提高電源結構件的剛性化。結構件剛性化的目的是為了增強結構件自身抗振能力, 減小振動應力作用時的變形。電源的機箱由比強度、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

熱設計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插槽后, 電源上蓋緊貼整機外殼, 從而增大了散熱面積, 電源的熱量可通過機殼良好的散出, 以降低電源溫升, 提高電源的可靠性。通過使用Mentor公司的HyperLynx軟件對電源裸板進行熱分析, 結果如圖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℃。當安裝好散熱外殼后, 以導冷的方式對電源進行散熱, 經實際工作測量, 在230W輸出功率條件下連續工作1小時后, 外殼溫度小于45℃。

5 結束語

本文針對雷載計算機工作條件惡劣, 對電源的性能和可靠性要求高等特點, 選用國外高性能的DC/DC模塊, 結合監控、保護電路及功率保持電路, 成功設計出一種高性能、高可靠性及高轉換效率的計算機電源。其技術指標優良, 工作性能穩定可靠, 符合VME系統規范的要求, 并且具有模塊化、集成化及便于安裝等特點。

通過與自導信息處理機的搭載試驗證明, 該產品取得了預期的效果, 可在18 V~50 V輸入電壓范圍內正常穩定的工作, 轉換效率高達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小于20 mVpp, 掉電保護模塊可在150 W的輸出功率條件下維持系統供電約20 ms, 在230 W輸出功率條件下連續工作1小時的外殼溫度小于45℃, 其余功能模塊均滿足VME規范電源指標要求。該VME電源的成功研制, 為整個信息處理機的穩定工作提供了堅實的基礎。在實際應用中, 具有廣闊的應用前景。

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(責任編輯: 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, 研究方向為計算機硬件.