某型引進裝備一種典型二次電源組件的國產化研究

曹佩武 馮云

摘要：針對某型引進裝備中一種典型二次電源組件存在裝機數量大、故障率高、備件緊缺和外購困難等問題，在外方沒有提供設計資料的情況下，采用逆向工程方法，通過系統反設計剖析原二次電源組件的組成結構、工作原理及性能指標，提出采用功能替代的國產化研制思路。研制的國產化組件在結構、功能性能上與武器系統完全兼容，能夠替代原二次電源組件直接裝機使用，成功解決了制約引進裝備備件維修保障的瓶頸問題。目前，研制的該型國產化組件已在裝備修理中得到推廣應用。

關鍵詞：穩壓；國產化；功能替代；故障監測

Keywords：voltage regulator；localization；function replace；fault monitoring

0 引言

電源是武器系統電子設備必不可少的重要組成部分，可以說電源電路是一切電子設備工作的基礎，其性能的優劣直接關系到整個系統的安全性和可靠性指標。武器裝備電源電路是一套復雜的系統，電源種類繁多，其中二次電源是將主電源電能變換為另一種形式或規格的電能裝置，用以滿足不同用電設備的需求，裝機數量龐大，是武器裝備電源系統的重要組成部分。近年來，隨著武器裝備使用年限的增加，故障率逐年增多，修復率較低，備件消耗量大，備件緊缺，外購困難，嚴重影響了戰訓任務的開展。為了保證引進裝備的正常使用需求，充分發揮其作戰效能，開展該型二次電源組件的國產化研制勢在必行。

1 原二次電源組件的功能及組成

原二次電源組件安裝于某型武器系統多型裝備，一套系統裝機數量達70余件，主要由穩壓電路、故障監測電路、故障指示和保護執行電路、接插件等組成，用于根據不同的輸入電壓及外圍電路產生+12V/1A、+27V/0.2A、+30V/1.5A等不同類型的電源，并監測自身的輸出電壓與電流；當輸出發生過壓、欠壓和過流時進行故障判斷和指示，并產生故障信號送至系統其他電路，切斷組件輸入電源，達到保護組件自身和整機系統的作用。

2 國產化二次電源組件的設計

武器系統引進時，隨機資料和人員培訓主要集中在裝備的使用和維護方面，出于技術保護，外方沒有提供任何設計方面的技術資料。如何通過逆向工程的方法獲得原電源組件在不同工作狀態下的激勵響應信息，反推解算出組件的輸入輸出設計需求，是一項系統、復雜的工作。本次研制在剖析原電源組件工作原理、各組成部分功用、互相之間聯系的基礎上，通過大量測試、分析和驗證，獲取了原二次電源組件的輸入輸出設計需求。

2.1 研制方案的確定

原二次電源組件硬件設計采用142ЕН3、142ЕП1、1НТ251等多片集成電路作為核心單元，加以外圍電路設計，電路結構復雜，原理分析困難，核心器件技術資料缺失，且無相應直接替代型譜可查，顯然，采用“一一替換”的研仿模式行不通，因此必須對原二次電源組件的功能、原理研究透徹，并對組件在不同工作狀態下的輸入、輸出信息進行系統測試、分析和處理，盡可能得到完整、準確的設計輸入輸出需求，采用對其進行功能替代的研制方案進行。

2.2 國產化二次電源組件組成及原理

國產化二次電源組件功能、結構尺寸、接口關系與原組件一致，電路主要由穩壓電路、故障監測電路、故障指示和保護執行電路等組成，國產化二次電源組件原理框圖如圖1所示。

國產化組件采用MC1723、MC33161、4N35等集成芯片作為核心單元，對穩壓電路、故障監測電路、故障指示和保護執行電路進行了功能替代設計，實現了脈動直流電壓的穩壓變換以及過流、過壓、欠壓的監測與故障判斷。當發生過流、過壓、欠壓故障時，產生故障信號送至組件外系統其他電路，系統根據收到的故障信號執行切斷組件輸入電源動作，達到保護組件自身和整機系統的作用，同時組件通過LED指示燈進行故障告警顯示。

2.3 設計中解決的主要問題

1）穩壓電路設計

直流穩壓電源是為負載提供穩定直流電源的電子裝置，隨著武器系統電子設備向高精度、高穩定性和高可靠性方向發展，對電子設備的供電電源提出了更高的要求。根據該型電源組件可輸出多種不同規格電源和具有過流保護的要求，查閱大量器件數據資料及應用電路，選用MC1723集成芯片作為穩壓電路設計的核心單元。MC1723是一種寬輸入輸出的正電壓或負電壓調節器，輸出電流可達150mA，通過外接調整管可增加輸出電流，工作溫度范圍為-55℃～125℃，輸出電壓為2～37V可調，線性調整率0.01%，負載調整率0.03%，短路限制電流可由電阻設定。MC1723器件有14引腳雙列直插塑料及陶瓷（DIP）封裝，也有貼片式（SO）封裝，其管腳排列如圖2所示，內部電路結構如圖3所示。

電源組件要求輸出+12V、+27V、+30V不同類型的電壓，根據MC1723集成芯片數據手冊的公式（1）、（2）、（3），本電路實際設計時，R1*為不同輸出時組件外配置的固定電阻器，R2設定為20k可調電阻，R3設定為20k可調電阻，R4采用4.7Ω高精度可變電阻，外接2N6675作為調整管進行輸出擴流。通過調節R2電位器可實現輸出7～37V范圍可調，通過R4可變電阻根據不同輸出電流設置不同采樣值進行過流監測。

式中，R2取值應符合10k

設計的穩壓電路原理圖如圖4所示，電路工作時，通過Ш1/19、42與Ш1/44組件外圍短接后實現限流功能，通過Ш1/19、42與Ш1/40組件外圍串入R1*電阻后與R2共同實現輸出電壓的反饋調節功能。

2）故障監測電路設計

為了保證電源電路能夠安全可靠地運行，必須設計保護電路，以便監視電源電路的工作情況，及時發現故障并切斷故障組件的電源，防止事故擴大。鑒于該型電源組件要求具有過壓、欠壓的故障監測功能，查閱大量器件數據資料及應用電路，選用MC33161集成芯片作為故障監測電路設計的核心單元。 MC33161作為電壓傳感器廣泛應用于電壓檢測電路，該器件采用雙列直插式8引腳塑料及陶瓷（DIP）封裝，也有貼片式（SO）封裝，其管腳排列如圖5所示，內部電路結構如圖6所示。

MC33161內部含有兩個相同結構的電壓檢測電路，由于各自的基準電壓不同，可分別用于檢測兩路不同的電壓，同時，MC33161的引腳7（見圖6）為工作方式選擇端，當接于Vcc、Vref或GND時，可完成一路過壓、一路欠壓，雙過壓，雙欠壓，正負電源過壓、欠壓等的檢測，使用十分方便。

設計的故障監測電路原理圖如圖7所示。

如圖7所示，通過將工作方式選擇端引腳7接于基準參考電壓引腳1Vref實現通道1同相、通道2反相的工作方式，這時通道1將作為欠電壓檢測電路，通道2將作為過電壓檢測電路。

由于MC33161內部電壓比較器基準電壓為1.27V，當電源組件穩壓電路輸出電壓在正常范圍且負載也沒有過流時，MC33161的引腳3相當于輸入“0”，故引腳5輸出相當于“1”；MC33161的引腳2相當于輸入“1”，故引腳6輸出相當于“1”；此時，故障執行電路不動作，故障告警指示燈不亮。

當發生過壓時，取樣電壓Vs隨之升高，MC33161的引腳3相當于輸入“1”，MC33161的引腳5相當于輸出“0”；當發生欠壓時，取樣電壓Vs隨之降低，MC33161的引腳2相當于輸入“0”，MC33161的引腳6相當于輸出“0”；當發生過流時，穩壓電路的過流保護會控制輸出電壓降低，當輸出電壓降低至欠壓閾值時，其工作過程與欠壓檢測電路相同；無論是發生過壓、欠壓還是過流，故障執行電路均動作，組件故障告警指示燈亮起進行故障指示，并向組件外系統電路發送故障信號。

3 測試結果

在實驗室條件下利用自研的二次電源綜合測試平臺對國產化二次電源組件進行了功能性能測試，測試結果表明，電壓、電流、保護門限值、故障報警等主要功能性能均達到了設計指標要求。國產化二次電源組件功能性能指標測試結果見表1。

4 結束語

目前，該型國產化二次電源組件已通過了設計鑒定審查和軍方組織的飛行靶試驗證，并在部隊和工廠裝備修理中得到推廣應用。該產品能夠滿足某型引進武器裝備的正常使用要求，使用維護簡單、方便。該型二次電源組件成功進行國產化，可解決國外技術封鎖和對國外備件保障的依賴，提高國內自主可控能力，保障裝備的完好率，經濟和軍事效益明顯。

參考文獻

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作者簡介

曹佩武，高級工程師，主要從事測控技術、裝備維修保障與國產化技術研究。

馮云，高級工程師，主要從事裝備維修保障、國產化備件研制以及北斗接收機研發等。