一种大功率VME规范电源的设计

郝 彬



一种大功率VME规范电源的设计

郝 彬

(中国船舶重工集团公司第705 研究所, 陕西西安, 710075)

军用信息处理机对电源要求很高, 不仅要求电源的输出稳定, 还要求其具有负载保护及数据保护措施, 以适应初级电源的恶劣变化。本文结合雷载信息处理机的具体需求, 设计了能够在18V~50V输入范围工作的军用VME规范电源, 并对反接保护、功率保持及电源监控等功能模块进行了分析和原理说明。通过与信息处理机的搭载试验证明该电源有良好的通用性和可靠性, 技术指标优良, 在单槽空间内实现了高功率密度、低重量、高效率且智能化的高性能电源。

VME规范电源; 军用信息处理机; 反接保护; 功率保持模块; 电源监控模块

0 引言

新型水中兵器向着智能、宽带、低频、高分辨、复合制导、远航程及多平台发射等方向发展, 大量采用了水声对抗手段及先进的目标识别技术, 性能和作战效能不断提高, 并设计了通用的一体化信息处理机, 使其能适用于多种型号鱼雷, 从而缩短研制周期并提高性能。为使系统易于调试和控制, 将使用标准VME(versa module eurocard)总线来控制和连接多块信号处理板。由于军用武器系统的特殊使用环境, 一旦电源供电系统出现故障, 将会使武器系统中的信息处理机工作异常, 最终引发整个武器系统的失效。同时基于VME规范电源的特殊要求, 通用的电源模块无法产生VME系统必要的SYSRESET*、ACFAIL*信号, 并且电源间的启动缺少一定的时序关系。

本文根据新型自导信息处理机对电源系统的特殊要求, 设计了一种高可靠性、高效率、通用的大功率雷载VME规范电源系统的具体设计方案, 对其中的难点及关键点进行了分析, 并提出了解决办法。

1 原理与组成

根据VME总线系统规范的要求, VME机箱电源监控模块的集电极开路驱动信号线ACFAIL*、SYSRESET*应满足下列规范: 低电平状态下的吸收电流不小于48 mA; 低电平状态下的电压不大于0.6 V(吸收电流等于48 mA)。并且它们与电源输出的时间关系要符合VME总线系统规范要求。

本设计方案采用了18~50V输入电压的高转换效率的DC/DC模块, 同时结合控制、保护及功率保持电路设计实现了具有模块化、集成化及高功率密度的高性能电源, 其原理图如图1所示。该电源主要由反接保护模块、输入输出滤波及电磁干扰(electro magnetic interference, EMI)抑制模块、功率保持电路、DC/DC模块及监控保护等模块组成。其中DC/DC模块完成电压的隔离转换, 将输入电压转换为信息处理机所需的四路电压。

图1 VME规范电源原理图

2 监控及保护模块设计

相对于昂贵的负载而言, 电源保护电路的应用是必要的, 缺乏保护的电源在恶劣的环境下难以可靠工作。保护电路的设计不仅要承担保护负载的责任, 还要防止电源模块的意外损坏。

为防止安装电源时将极性接反或当电源输入极性发生改变时损坏电源电路, 采用了反接保护模块。本文采用双N管金属氧化物半导体场效应晶体管(metallic oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)组成电源极性反接保护模块, 以提高转换效率。其原理图如图2所示。

图2 反接保护模块电路原理图

当输入电源正接时, MOSFET因正向偏压而导通, 使输入电压正常接入后级电路; 当输入电源反接时, MOSFET因反向而截止, 此时输入电压无法进入后级电路, 从而达到输入反接保护的作用。需要注意的是由于MOSFET的VGS耐压有限, 为保护MOSFET不致过压烧毁, 需要增加稳压二极管和限流电阻, 如图2中及。图中为浪涌抑制二极管。

监测电路的作用是当检测出某一路输出电源欠压、过压等故障时, 产生电源监测信号通过VME总线通知系统, 并对输出电源采取相应保护措施。设计中分别从电源输入端及各路输出端检测电压, 当输出电压超过设定的过压和欠压值时, 该监视电路产生ACFAIL*,SYSFAIL*及SYSRESET*3组电源监测信号, 通知各功能板保存数据并重新启动, 过载并切断电源输出。其中: ACFAIL*表示输入电源故障, 反映系统输入电源是否出现故障; SYSRESET *表示系统复位, 反映系统是否处于复位状态; SYSFAIL*表示输出电源故障, 当系统输出电源欠压或过压时, SYSFAIL*信号有效。三者均由过压欠压监控及保护电路监视和控制, 并且都由集电极开路驱动, 低电平有效。当系统输入电源出现故障时, 过压欠压监控及保护电路驱动ACFAIL*为低并向系统发出报警信号, 同时切断27 V输入电源, 通过功率保持电路向DC/DC模块提供能量, 保证系统及时而有秩序地关闭; 当VME系统再次上电时, 过压欠压监控及保护电路驱动SYSRESET*为低, 使整个系统进入初始状态。监测电路的原理图如图3所示。图中ON/OFF信号为DC/DC模块过压关闭信号, 用于当负载故障时防止电源模块意外损坏。

检测电路的设计采用新型电源电压监控器件LTC2912与LTC2914, 该器件具有±1.5%门限精度及电源干扰滤波, 因此能够精确监测电源的输入输出电压, 以确保所设计的电源能够在系统容许的范围内运行。

当VME电源启动时, ACFAIL*与SYSRESET*信号均处于有效状态(低电平), 随着电源的输出电压逐渐上升, 当输出的+5 V电压大于4.875 V后, 由监测模块产生的ACFAIL*信号转为无效状态(高电平), 此时由监测模块产生的SYSRESET*信号继续保持有效状态至少200 ms, 以确保信息处理机各组件稳定可靠的进入初始状态, 监测模块再将SYSRESET*信号转为无效状态(高电平)。其启动时序符合图4所示的时序关系。

在200个结节中共有138个为良性结节，同时存在 62个为恶性结节，在所有的恶性结节中，其中共有54个为乳头状癌，2个是转移癌，4个是滤泡状腺癌，2个是髓样癌。

图3 监测电路原理图

图4 VME电源启动时序图

当电源即将关断时, 监测模块将ACFAIL*信号转为有效状态, 同时由监测模块产生的SYSRESET*信号将继续保持无效状态(高电平)至少8 ms, 8 ms后监测模块将SYSRESET*信号转为有效状态(低电平), 此时ACFAIL*信号将继续保持有效状态, 至少10 ms后监测模块方可产生关断信号, 切断电源输出。以保证信息处理机其他组件接收到ACFAIL*信号后具有足够的时间将信息保存至存储器。其时序符合图5所示的时序关系。

方案中选用的DC/DC模块均带有完善的过流保护措施, 因此过电流保护并不是模块化电源保护电路设计的重点。

图5 VME电源关断时序图

3 功率保持电路设计

在设计中经常会遇到由于突然掉电, 有些重要数据或者操作来不及进行保护而导致数据丢失的情况, 本方案中设计了功率保持电路以维持信息处理机在非正常掉电时进行状态记录。为了实现以较小的电容容量获得尽量长的放电时间, 电路结构须进行优化处理。若采用Buck结构, 效率会有所提高, 但会有较大电容电荷不能利用; 采用升降压结构的Buck-Boost产生的反压直接利用会有困难; 采用高频变压器隔离的拓扑, 在效率、功率密度等方面均有一定限制。

综合考虑, 本文采用电容容量较为合理非隔离升压拓扑式结构, 其主要工作过程为: 当电源进入正常工作状态(输入电压大于18 V)后功率保持模块进入充电模式, 对储能电容进行充电, 该过程持续约2 s; 充电结束后, 该模块自动进入正常工作模式; 当系统输入电源下降至18 V或失效时, 监测模块将ACFAIL*信号转换为有效状态, 通知自导信息处理机内其他组件即将断电, 同时通过控制信号将功率保持模块由正常工作模式转换为功率保持模式, 对DC/DC进行供电, 使得自导信息处理机拥有充足的备用时间。该电路具有以下3种工作模式：

1) 充电操作模式: 正常输入条件下(27VDC± 10%), 输入输出通过金属-氧化物-半导体管(metal oxide semiconductor, MOS)导通, 保持电路会对外加保持电容充电, 约48 V后达到稳定, 而输出电压和输入电压保持同步并低于输入电压0.4 V;

2) 正常工作模式: 在电容充饱后, 输入母线电压在18 ~50 V之间时, 输入输出的压差小于400 mV;

图6 功率保持电路原理图

该电路利用调节开关管的占空比来控制输出电压。开关管关断与开通交替进行, 电感交替的存储和释放能量,储能后使电压上升。而电容则将输出电压保持平衡, 输出输入电压关系为:=(+) /。只需要通过改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。电容为保持电容, 用于储存能量, 在电源失效时给DC-DC变换器供电, 其容值选择可参考下式

=2×(+0.01)/(48-18) (1)

式中:为所需要的电容值;为保持电路输出功率;为所需要保持的时间。

由于掉电保护时间较短, 功率元件降额使用不必太苛刻。

4 结构及散热设计

电源结构件由盒体和盖板组成, 内部安装一块印制件, 盒体内留有凸台以固定该印制件。电源发热量大的模块等器件直接安装在电源壳上, 以减小热阻, 降低电源温升。电源通过两侧的锁紧条与整机进行结构连接。

电源在使用和运输过程中, 将承受振动、冲击等力学环境的作用, 当振动加速度或冲击力超过了设备所能承受的极限强度, 设备将不同程度地受到损害。其表现为: 电路印制板上的电路参数不稳定、精度下降、元器件焊点断裂、管脚损伤, 紧固件松动及机箱结构件变形等。这些故障大大地降低了电源的可靠性, 会产生严重的后果。为保证电源长时间可靠地工作, 必须依据环境要求对其进行抗振加固设计。电源采用的抗力学环境设计主要是提高电源结构件的刚性化。结构件刚性化的目的是为了增强结构件自身抗振能力, 减小振动应力作用时的变形。电源的机箱由比强度、比刚度较大的硬铝合金(2A12)厚板料加工的盒体与盖板组成, 有效厚度2 mm。为了增加印制板的刚度, 采用厚度为2.6 mm的印制板, 通过螺钉与盒体的凸台相连, 使得组装后的电源机箱具有较好的刚性。其外形示意图如图7所示。

图7 电源外形示意图

热设计的目的是降低电子元器件的表面温度, 保证电子元器件能长期可靠工作。电源中所有的DC/DC模块焊接在印刷电路板 (printed circuit board, PCB)板上, 其散热面安装在电源壳体上, 电源板通过锁紧条紧固在整机插槽后, 电源上盖紧贴整机外壳, 从而增大了散热面积, 电源的热量可通过机壳良好的散出, 以降低电源温升, 提高电源的可靠性。通过使用Mentor公司的HyperLynx软件对电源裸板进行热分析, 结果如图8所示。

图8 热分析图

从图中可以看出, 未安装散热器的电源板在室温20℃的条件下满载工作的最高温度约为65℃。当安装好散热外壳后, 以导冷的方式对电源进行散热, 经实际工作测量, 在230W输出功率条件下连续工作1小时后, 外壳温度小于45℃。

5 结束语

本文针对雷载计算机工作条件恶劣, 对电源的性能和可靠性要求高等特点, 选用国外高性能的DC/DC模块, 结合监控、保护电路及功率保持电路, 成功设计出一种高性能、高可靠性及高转换效率的计算机电源。其技术指标优良, 工作性能稳定可靠, 符合VME系统规范的要求, 并且具有模块化、集成化及便于安装等特点。

通过与自导信息处理机的搭载试验证明, 该产品取得了预期的效果, 可在18 V~50 V输入电压范围内正常稳定的工作, 转换效率高达85%以上, 可提供最大450 W的输出功率, 其输出纹波电压满载时小于20 mVpp, 掉电保护模块可在150 W的输出功率条件下维持系统供电约20 ms, 在230 W输出功率条件下连续工作1小时的外壳温度小于45℃, 其余功能模块均满足VME规范电源指标要求。该VME电源的成功研制, 为整个信息处理机的稳定工作提供了坚实的基础。在实际应用中, 具有广阔的应用前景。

[1] 方佩敏. 功率MOSFET应用电路[J]. 电子制作, 2004(5): 47.

[2] 罗勇, 陈斌, 杨海清. 一种新型嵌入式系统电源监控模块设计[J]. 电子设计工程, 2009, 17(11): 111-112.

Luo Yong, Chen Bin, Yang Hai-qing. Design of a New Power Supply Monitoring Module in Embedded System[J]. Electronic Design Engineering, 2009, 17(11): 111-112.

[3] Wade D, Peterson. The VMEbus Handbook[M].VMEbus International Trade Association, 1992.

[4] Linear Technology Corporation. LTC2912 Data Sheet [DB/OL], 2007. http//www.linear.com.

[5] Linear Technology Corporation. LTC2914 Data Sheet [DB/OL], 2007. http//www.linear.com.

[6] 郭创, 张宗麟, 樊蓉. 常规开关电源拓扑结构及典型应用电路[J]. 电子原件与材料, 2003, 22(8): 38-41.

Guo Chuang, Zhang Zong-lin, Fan Rong. Topology Stru- ctures and Typical Circuits of Conventional Switching Power Supply[J]. Electronic Components and Materials, 2003, 22(8): 38-41.

(责任编辑: 杨力军)

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, 工程师, 研究方向为计算机硬件.