电源切换对系统工作影响分析与解决方案

郭玲红，彭 洋

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009）

为提高系统工作可靠性，尤其是系统供电的可靠性，经常需要提供两路稳定可靠性的工作电源，在一路电源出现故障时可以迅速切换到备路电源[1]。在一个由开关电源组合、数字模拟混合电路系统、中频信号组成的接收系统中，当电源切换继电器实现主路到备路的切换时，系统工作电流比正常情况大，而且数据混乱。为此对故障产生原因进行了分析，并提出优化改进方案。

1 电路工作框图及故障现象

图1所示为一个电源切换的原理框图，其中主路模块和备路模块分别为两路相同的开关电源模块，电源通断开关J1是28 V输入电的开关，用于实现对一次电源的供断电；电源切换开关J2是主路和备路选择开关，用于根据系统指令实现从主路模块到备路模块的切换，以及从备路模块到主路模块的切换；电源隔离开关J3用于实现对主路和备路电源模块之间的隔离，其选择逻辑与J2保持一致；开关J1和J2选用2JB15-1磁保持继电器，开关J3选用4JB5-2磁保持继电器。

电源控制指令包括：一次电源加电指令、一次电源断电指令与二次电源输出主路到备路切换指令，由于系统指令有限，一次电源加电指令和备路到主路切换指令共用一个指令线。

工作过程：

1）当一次电源加电指令到来后，继电器J1将28 V一次电源接通，此时，28 V动作电压也加在继电器J2与J3上。此时，若J2与J3接通的是备路，则J2与J3将会动作，把主路接通；若接通的就是主路，则两继电器不动作。

图1 电源切换原理框图Fig．1 principle diagram of power switch

2）当二次电源主到备切换指令到来后，备路DC/DC模块有输入28 V，其输出通过J3供给分机；

3）当一次电源断电指令到来时，J1将28 V断开，电路没有输出；

在系统调试中发现，当发送二次电源备路到主路切换指令时，电流比正常情况大，信号处理性能丧失。

2 工作原理分析

系统通过OC门控制电路发送各个控制指令，由继电器相应控制指令，并电源模块实现功能切换，下面对控制指令发送电路、电源切换电路以及继电器工作电路分别进行分析[2]。

1）控制指令电路图 如图2所示为控制指令电路OC门控制电路的原理图，A与B端为输入端，当需要发送控制指令时，在任一输入端输入一正脉冲信号，通过OC门，到达图中“OUT”端时，变为一负脉冲，在负脉冲时间内，“OUT”是与大地接通的，所以此时OC门等效为接地[3]。

2）继电器工作原理 磁保持继电器[4]用于实现对电路的接通与断开，其工作原理是：磁保持继电器内部包含两个线圈，输入1和输入2分别连接两个输入信号，指令1和指令2端口分别连接两个控制指令线，当指令1端口收到控制指令时，接收电流流过内部的线圈1，使得线圈1产生磁场，对应的簧片吸合，接通输入1对应的信号，只要指令2未接收到控制指令，线圈2上就不通过电流，也就不产生磁场，则簧片保持在该状态不动，输出口始终连接在输入1上，直至指令2接收到控制指令后，线圈2上通过电流，并产生磁场，簧片切换到对应的2口，输出口连接输入2的信号。

图2 控制指令电路Fig.2 Control circuit

图3 继电器原理图Fig.3 Schematic diagram of relay

3）电源切换电路原理图如图4所示。

如图所示，J1是28 V输入电的开关，J2是主路和备路选择开关。J3输入端为主路和备路输出电，J3输出为主路或者备路，其选择逻辑与J2保持一致。

图4 电源切换原理图Fig.4 Schematic diagram of switching power supply

电源切换开关J2和电源隔离开关J3中“1”对应主路电源模块，“2”对应备路电源模块，“3”为输出端，当指令1接收到OC门输出脉冲时，如图2中右图所示，线圈一端为28 V，一端通过OC门接地，线圈两端有28 V的压降，线圈中有电流，产生的磁场将簧片吸合。此时，若在指令1处的OC门再接通，因为簧片已经吸合在“1”端，继电器不动作，只有在“2”端的OC门接通时，继电器才会将“2”与“3”接通。

图5 继电器工作等效原理图Fig.5 Schematic diagram of relay equivalent

3 故障机理

通过对切换电路分析，考虑在发送二次电源备路到主路切换指令时，继电器J2和J3同时切换，输出电源电压会出现短暂掉电后加电的情况，也就是说当二次电源从备路切换到主路时，备路电源模块首先正常输出，很快又切换至主路电源模块输出，这样可能导致系统中某些器件尤其是FPGA、DSP等可能会出现软件加载不正常的情况，从而导致系统工作异常[5]。

为了弄清在二次电源备路到主路切换时，是什么原因导致系统工作异常，对二次电源备路到主路切换时的电源输出电压波形进行了监视。通过示波器触发功能，显示了电源由主路到备路切换以及备路到主路切换时电源电压波形，如下图所示：

图6 主路到备路切换波形图Fig.6 Switching waveforms（main to preparation）

图7 备路到主路切换波形图Fig.7 Switchingwaveforms（preparation tomain）

从上图可以看出主路到备路切换时掉电幅度小，但由于在负载端电源输入口有滤波电容的存在，使得掉电过程延长，对系统影响比较小；而从备路到主路切换时掉电幅度大，对于系统而言，相当于快速断电后加电[6]。

为了排除二次电源其他部分对加电瞬间电压波形的影响，用DC/DC模块和继电器按照电源实际情况搭建了切换电路，用示波器监视瞬时加载电压的波形，如图8、9所示。

图8 主到备路切换电压波形Fig.8 Voltage waveform（main to preparation）

图9 备到主路切换电压波形Fig.9 Voltagewaveform（preparation tomain）

从上图可以看出，若负载端电源输入没有滤波电容，电路切换时，掉电幅度可以达到5 V，而且由主路切到备路和由备路切回主路时间常数不同（表明继电器内部并不对称）。

单独对两种继电器切换的时间进行测试，图10、11为4JB5-2与2JB15-1两种继电器的连接方式：

图10 2JB15-1连接方式Fig.10 2JB15-1connectionmode

图11 4JB5-2连接方式Fig.11 4JB5-2connectionmode

其波形图如图12、13所示。

图12 2JB15-1主到备切换图Fig.12 2JB15-1 switch graph（main to preparation）

图13 2JB15-1备到主切换图Fig.13 2JB15-1 switch graph（preparation tomain）

两种继电器连接后，发现掉电时间增加了，连接方式如图16所示。这种连接方式下，电压波形图如图17、18所示。

图14 4JB5-2主到备切换图Fig．14 4JB5-2 switch graph（main to preparation）

图15 4JB5-2备到主切换图Fig．15 4JB5-2 switch graph（preparation tomain）

图16 继电器连接方式图Fig．16 Relay connection diagram

图17 主到备切换图Fig．17 Switch graph（main to preparation）

图18 备到主切换图Fig．18 Switch graph（preparation tomain）

时间增加的原因：J2的线圈电阻为320Ω，J3的线圈电阻为560Ω，前者线圈电流较大，产生的磁场较强，动作时间就比后者短，当指令到来时，J2先切换，J3上已经没有输出，只有J3切换后，J3上才有输出，最后导致切换时间增加。具体过程如图19所示。

图19 继电器切换时序图Fig．19 Relay switching timing diagram

4 解决方式

在系统加电端加电容：添加电容可以减小电源切换时掉电幅度，所以考虑采取在输出端接入电容的方式解决问题。在二次电源输出端各并入3个47μF的电容，并入电容后波形图如图20、21所示。

图20 主到备路切换电压波形Fig．20 Switchingwaveforms（main to preparation）

图21 备到主路切换电压波形Fig．21 Switchingwaveforms（preparation tomain）

经过试验，系统在由备路切换至主路时可以实现电源稳定切换，组件工作状态正常，解决了存在的问题。

5 结 论

文中分析可以看到，继电器串联使用时需要考虑到线圈电阻的不同，为了保证切换的正常进行，需要对输出电源端或者是系统工作电源端并联滤波电容，减小掉电时对系统工作的影响，保证切换时不影响系统的正常工作。

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[4]郑天丕．继电器制造·工艺·使用[M]．电子工业出版社,1996．

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