一種嵌入式計算機應急電源切換控制系統設計

董 凱，千鴻哲，賀治飛，田育新

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

對于機上主電源和蓄電池應急電源的掉電切換，正常情況下不從蓄電池用電，不向蓄電池供電。只有機上主電源掉電切換到蓄電池應急電源時，使用蓄電池的應急供電，在此期間若機上主匯流條恢復，則應立即切換為機上主匯流條供電，減少蓄電池應急電源的不必要使用[1]。該要求的核心在于切換要及時迅速，即在切換過程中后端負載模塊不能出現掉電重啟或其他工作不正常的現象，要保證后端負載模塊平穩過渡，且當機上主匯流條恢復時要立刻切換回主匯流條供電。針對該需求，在設計時要保證檢測電路及時準確，真實快速反映機上主匯流條的變化，同時還需濾除因環境干擾和線路抖動而引起的掉電尖刺。此外，切換要及時迅速。當檢測到機上主匯流條掉電時，要迅速進行切換，供電由主匯流條迅速切換到蓄電池供電線路。由于切換的瞬間電子元器件有切換動作時間，為保證在切換期間后端負載工作正常，因此要設計儲能電容，保證在機上主匯流條已掉電但應急蓄電池還未切換到位的時間內，后端負載模塊還有儲能電容儲存的電量可用，可以正常平穩過渡到供電切換到應急蓄電池的線路上[2]。

1 應急電源切換控制系統

為了滿足上述工作要求，設計了一種機載應急電源切換控制系統，包括電壓檢測電路、隔離驅動控制電路以及有源功率開關電路，整體框架如圖1所示。

電壓檢測電路由比較器和基準源組成，當機上主電低于掉電門檻時，發送切換控制信號給隔離控制驅動電路。隔離控制電路主要由隔離光耦（N1）、場效應管（V3）、穩壓管（V4）、電阻（R3、R4）以及驅動器（G1、G2）組成。當收到掉電信號時，N1導通，V3的柵極電壓變低，V3不通，G1、G2的控制管腳電壓變低，G1、G2發出驅動電壓信號。有源功率開關電路主要由大功率、低內阻的場效應管（V1、V2）組成。當收到G1、G2發出的驅動電壓信號時，V1、V2導通，應急電源通過V1、V2向主回路供電。V1的源極和V2的漏極相連，當主電源正常工作時，應急電源被V1隔斷，主電源被V2隔斷，從而保證了在正常工作時主電源既不向應急蓄電池充電，同時又不從應急蓄電池用電。只有當主電源電壓故障時，應急蓄電池電壓才會經過一系列的控制通過V1、V2向主回路供電。當主回路電壓恢復時，關斷V1、V2，應急電源不再供電[3-5]。

2 詳細分析

實際應用中檢測電路有兩路，分別檢測左發匯流條和右發匯流條。輸入電壓經過分壓電阻分壓進入到比較器的正端，比較器的負端接基準輸出。機上輸入電壓正常時，比較器的正端電壓高于負端，比較器輸出為高，控制后端連接的光耦初級導通，光耦次級（輸入電壓檢測信號）輸出為低。將輸入電壓檢測信號接入到控制器，在控制器里進行邏輯判斷[6]。當匯流條輸入電壓正常時，比較器正端的輸入電壓大于負端基準電壓值，比較器不翻轉；當輸入電壓掉到正常工作電壓的下限時，比較器正端電壓小于負端基準電壓值，比較器翻轉。根據光耦的電流傳輸比（Current Transfer Ratio，CTR）和導通電流選擇合適的原邊限流電阻，保證光耦在任何外部環境下都能正常導通。

電壓檢測電路可以有效檢測到輸入電壓的變化，及時將輸入電壓的變化傳遞到后級控制器，且可以濾除短時線路干擾，同時可以實現傳輸信號隔離。電路選用元器件的動作時間均在微秒級別，可以快速將前端輸入電壓的變化反饋到后端控制器，供后端的控制器及時了解匯流條電壓的變化并進行相應控制。該電路在實際應用中可以根據實際的電壓變化調節相應的元器件參數，以適應不同的供電體系。根據線路可能產生干擾的時間，調節并聯濾波電容的容值大小。但該電容的容值不能過大，容值過大會導致前面輸入電壓已掉電而濾波電容上的電壓在緩慢掉電，導致電壓檢測電路未來得及翻轉，輸入電壓早已低于正常的工作范圍，無法維持后端電路正常工作。同時由于輔助電源需要向檢測電路的比較器和基準供電，而此輔助電源由前端輸入電壓變換而來，因此輔助電源的輸入電壓范圍要寬，保證即使后端電路已無法正常工作，輔助電源仍能正常工作[7]。

檢測輸入電壓的電路將檢測信號輸入到后端控制器，后端控制器經過比較判斷后發出切換信號。圖1中的光耦N1收到切換信號后導通，將場效應管V3的柵極驅動電壓拉低，導致場效應管V3截止關斷，使控制電路G1的使能信號變高，控制電路G1為N溝道場效應管V1驅動器，輸出場效應管V1的柵極驅動電壓，該驅動器G1由應急輸入電壓直接供電，為防止應急輸入電壓線路上有電壓抖動，在其輸入端并聯TVS管，保護G1避免因電壓尖刺而損壞。為防止驅動器G1輸出的驅動電壓震蕩，在其輸出通道上串聯10 Ω的電阻。為防止場效應管V1的GS端因過壓而損壞，在場效應管V1的GS端并聯一穩壓管，穩壓管的擊穿電壓值為20 V左右，根據實際電路的應用環境，為避免在飽和導通時造成V1振蕩，柵源極寄生電容不能過大[8,9]。V1選用N溝道場效應管，二極管的電壓走向由源級S到漏極D。根據二極管的反向截止特性，在初始狀態下匯流條輸入電壓正常，控制器接收到正常的檢測信號，光耦N1不導通，場效應管V3導通，驅動器G1的使能信號變低，V1不導通，應急輸入電壓被截止在V1的漏極D，應急電源不供電。當匯流條的輸入電壓降低到低于正常的工作電壓范圍時，檢測電壓電路發生翻轉并將檢測信號輸入到控制器，控制器接收到檢測信號后通過比較判定輸入電壓不正常，發出應急切換信號。應急切換信號輸入到光耦N1，光耦N1導通將場效應管V3的驅動電壓拉低，場效應管V3處于截止狀態，場效應管驅動器G1、G2的使能信號有效，場效應管驅動器G1輸出驅動電壓信號，驅動場效應管V1導通。V1導通后，輸入到N溝道場效應管V2的源級S，同時向驅動器G2供電，G2供電管腳的電路和G1一致。由于場效應管V2的連接方向和V1相反，因此V2直接導通，驅動器G2的使能信號有效，則G2立即輸出驅動電壓，驅動場效應管V2由體二極管導通狀態迅速過渡為飽和導通狀態。V2飽和導通，應急電源向后端開始供電，在匯流條掉電的情況下能無間斷地保證后端正常工作。場效應管V2的連接方向為源級到漏極，這種連接方式可以保證在匯流條正常工作時，場效應管V2漏極D處的電壓不會通過V2和V1向應急蓄電池反向供電，影響蓄電池的正常工作。這樣既保證應急蓄電池的電壓不會不受控地向后端供電，又保證了后端電壓不會不受控地向應急蓄電池供電，提升了應急蓄電池的穩定性[10]。

3 結 論

由于應急蓄電池儲存的能量有限，因此必須確保在飛機主匯流條徹底掉電時才可使用應急電源，在機上匯流條正常時嚴禁偷電，保證應急電源在有限的條件下為最需要電源的裝置供電。通過設計應急電源切換控制系統能夠在主供電掉電的情況下及時對應急蓄電池電源進行切換，保證了后端負載模塊正常工作，對于提高系統的穩定性、安全性以及可靠性具有重要的意義。