航空備份電源方案

王 亮 高志遠 李盤文

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航空備份電源方案

王 亮 高志遠 李盤文

航空電子設備和軍用設備需要在電源掉電后保持工作一段時間，進行數據保護和正常關機操作。典型的方式是采用大容量電容并聯在電源輸入端，這種方式存在所需電容容量大，體積大，效率低下等缺點，通過提高電容充電電壓的方式可以大大延長掉電后的工作時間。

航空電子設備和軍用設備在母線電源掉電的情況下，需要維持一段時間的工作狀態，進行數據保存和正常關機操作。不同的標準對掉電后工作時長有不同的定義和要求，最多可能需要7s。

為了在電源掉電后維持工作，通用的做法是用一個大容量電容連接在電源轉換器的電源輸入端，電源掉電后，由電容給電源轉換器提供能量。

典型的電路原理圖如圖1所示。

R1：功率電阻，限制浪涌電流

D1：肖特基二極管，模式切換

C1：大容量電容，能量存儲

這顆電容的選擇要根據系統特點，負載大小，DC/ DC轉換器的效率以及掉電后需要維持運行的時間來決定，電容的容量可以通過下面的公式1計算：

其中：

C1：需要選用的容值（F）

P：DC/DC轉換器輸出端功耗（W）

Dt：掉電后需要維持的時間（S）

V1：電容的初始充電電壓（V）

V2：DC/DC轉換器正常工作最低電壓（V）

對于需要100ms維持時間，20W功耗，最低工作輸入電壓為16V、轉換效率為80%的DC/DC轉換器這樣一個系統來說，如果輸入為符合MIL-STD-704標準的28V母線，那么所需要的電容為：

所以要裝備10mF/40V的大容量電容器或電容陣列才能達到要求，如果系統工作在MIL-STD-704標準允許的最低電壓（22V），那么所需的電容容量還要加大才行。

使用這種方式的備份電源需要面臨兩個問題：

1）電容被充電至的電壓（V1）與輸入電源掉電時的電壓相同，電容存儲的能量隨著充電電壓降低而變小，某些情況下，可能導致V1與V2非常接近，這是就起不到備份電源的目的；

2）隨著功耗的提升，所需的電容值就越大，電容的體積就越大，占用寶貴的PCB空間，而且大容量電容在充電過程中，需要使用功率電阻R1來限制浪涌電流。

改進方案

圖1　獨立電容備份電源電路

圖2　BOOST-BUCK備份電源原理圖

為了提升電容存儲的能量，減少體積，可以采用BOOST轉換器將電源電壓升高，提高電容的充電電壓，當電源掉電后，直接使用電容供電或利用BUCK轉換器將電容上的高壓轉換成低壓使用。電路原理圖如圖2所示。

圖3　采用LTC3643的5V電源系統

圖4　采用HUD300的28V電源系統

正常供電狀態下Vin高于Vset，Q2開啟，Q1關閉，Vin通過BOOST電路將電壓升高，給電容C1充電，當電源電壓低于Vset，Q1開啟，Q2關閉，電容通過BUCK電路放電，提供備份電力。

但是通過分立元器件搭建電路比較費時費力，通過現有的專用器件可以節省時間，減少占用體積，下面將介紹高低功耗兩種解決方案。

小功率方案

以5V系統為例，采用LINEAR公司的LTC3643的備份電源電路原理圖見圖3。

LTC3643將5V輸入電源最高升壓至40V給大容量電容充電，那么根據公式1，10W系統采用1mF/50V電容的掉電持續工作時間為：

大功率方案

以MIL-STD-704標準的28V系統為例，采用GAIA公司的HUGD300 HOLD-UP模塊的備份電源最高可提供300W的功率。電路原理圖見圖4。

LTC3643可將輸入電源最高升壓至80V給大容量電容充電，若電路后端使用的DC/DC轉換器輸入范圍是16～80V，效率為80%，100W系統想要掉電后持續100ms那么根據公式1，所需電容為：

若是采用獨立電容方案，那么

所需電容的容量太大，占用空間難以接受。

結語

通過使用BOOST-BUCK方法，雖然增加了部分成本，但是可以提高電容存儲的能量，降低對大容量電容的需求，大大縮小了占用的PCB尺寸，能夠減小航空電子設備的體積。本文中提供的兩種不同功率的解決方案值得在航空電子設備中推廣和使用。

王 亮 高志遠 李盤文

中國飛行試驗研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.012