小型化程控電源通用化設計研究

花偉峰 張婷婷 陳名勝

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

0 引言

某系統地面電源主要由28V直流電源組成。由于地面電源是供電系統重要組成部分,主要用于地面測試單機設備供電,所以其工作狀態直接關系到系統整個試驗流程中的測試可靠性。本文對系統地面電源向小型化、通用化、智能化方向發展進行設計研究,同時還需要兼顧電源系統整體供電冗余度設計,保證在整個測試流程中電源供電的可靠,并實現不間斷供電的要求。

1 設計思路

直流電源原理框圖如圖1所示:電源由輸入濾波/控制保護單元、AC/DC模塊(1個或多個)、輸出濾波/控制保護單元、主控板和觸摸屏組成。輸入濾波/控制保護單元可以改善電源輸入的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護的功能。AC/DC模塊(一個或多個)是將輸入的交流電轉換為負載所需的直流電源。其中20A電源采用1個電源模塊,100A電源采用2個電源模塊并聯,300A電源采用6個電源模塊并聯。輸出濾波/控制保護單元可以改善電源輸出的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護的功能。主控板的作用是將來自上位機的控制命令/來自觸摸屏的控制命令轉化為模塊和兩個控制單元可以識別的信號,從而實現遙控/本控的功能。觸摸屏是本地控制的輸入界面,同時也是電源各種參數及狀態顯示的窗口。

圖1 直流電源組成原理框圖Fig.1 Principle block diagram of DC power supply

圖2 直流電源系統原理圖Fig.2 System principle diagram of DC power supply

2 工程實施過程

2.1 具體設計方案

電源主要由新型1U電源模塊、電源監控電路、濾波電路、交流、直流配電和相應的電子線路以及接口組成。直流電源原理框圖見圖2。

圖3 電源控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of power control circuit

圖4 遠程補償切換原理圖Fig.4 Schematic diagram of remote compensation switching

系統的輸入為市電,電源輸入為單相電源, 市電輸入后,接通總開關,電源模塊啟動工作,輸出直流20～45V。

電源主副機可并機運行,當主機故障時自動切換至副機供電,實現不間斷供電。

電源實現三路輸出,分別為模擬電纜輸出、地面供電、電源供電輸出。可在手動/遙控狀態下實現通/斷操作;電源供電為前級輸出,地面供電、模擬電纜供電為后級輸出。

單片機控制電路主要由輸出控制電路、反饋補償切換電路、顯示電路、保護電路、和通訊電路組成。其中輸出控制電路主要實現地面電源供電、模擬電纜供電等輸出本控及遙控功能以及電源各項參數設定(電壓、通訊參數及功能設定);反饋補償電路實現地面電源反饋和模擬電纜反饋切換,保證在接通相應負載時,反饋點能引入電源,實現線壓降補償。顯示電路主要將采集到的模擬量信號進行處理,并在屏幕上顯示,實現本地電源運行狀態監控。保護電路實現電源保護參數設定,當實測值超過設定值時,立即切換電源輸出,保護供電負載。

2.2 控制電路設計

電源控制電路以嵌入式控制器32位ARM高性能單片機為核心,連接高分辨率觸摸屏組成觸摸式微型單板控制器,其上運行監控處理軟件,電源的電壓、電流等傳感器模擬量通過A/D轉換為數據,通過數據總線傳輸電壓、電流等參數。高性能單片機對這些數據進行處理解析,并將電源狀態信息通過顯示接口顯示在觸摸屏上。用戶通過觸摸屏發送控制指令到數據處理分類模塊,數據處理分類模塊解析后傳到電源控制模塊再通過GPIO接口控制繼電器組實現電源開關的通斷。遠端上位機可通過網絡向嵌入式控制器發送請求實現電源的監控,數據處理分類模塊接收到請求指令后,向相應模塊讀取信息或發送控制命令從而實現遠端監控。用戶可通過參數設置模塊設置參數[1]。電路原理如圖3所示。

2.3 雙冗余設計

在地面電源系統的設計中,采用了雙冗余設計。單臺電源設備中的整流模塊采用了N+1冗余并聯運行方式,模塊自動均流,均分負載,一個模塊故障不影響設備的輸出。同時,電源輸出端均加裝隔離二級管,可實現雙機并聯輸出,當主機出現故障時,自動切換至副機輸出,大大提高了系統的可靠性。

圖5 電源保護原理圖Fig.5 Schematic diagram of power protection

電源采用二極管隔離方式并聯,選定一臺為主機,另一臺為副機,主機電壓設定比副機電壓高0.7V,這樣能保證主、副機電源模塊同時輸出,且因主機電壓高于副機而將副機的輸出端隔離二極管截止,只有主機輸出端二極管V1對外輸出。當主機故障切斷主回路輸出后,副機隔離二極管導通輸出。

2.4 電壓降自動補償及切換

直流電源可以實現長線遠距離供電補償,補償長線引起的線壓降[2],確保電源輸出電壓的穩定,補償點分2路,可根據需要進行切換。原理如圖4。

2.5 保護電路

如圖5,電源的保護功能主要通過單片機控制板來實現。在LED顯示屏主界面中點觸“設置”按鈕,再點擊相應參數的數字框,即可方便的設置保護參數值。單片機將采樣值與設置值進行比較,通過IO接口驅動繼電器進行動作。

2.6 軟件設計

電源軟件主要涉及內部單片機軟件,主要實現電源控制、通訊功能,同時檢查電壓和電流狀態,對異常情況進行保護[3]。流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程示意圖Fig.6 Software flow diagram

3 結語

本文對某系統地面電源通用化、小型化和智能化方案設計進行深入的研究,該方案已成熟應用于系統上,實現了通用化使用要求,同時新電源體積減少至原電源的三分之一,實現了小型化設計要求。此外電源所有控制指令和參數設定均可通過上位機操作,實現100%遠程控制,滿足電源智能化設計要求。后續對地面電源將進一步迭代設計,滿足更多系統使用需求。