航空备份电源方案

王 亮 高志远 李盘文



航空备份电源方案

王 亮 高志远 李盘文

航空电子设备和军用设备需要在电源掉电后保持工作一段时间，进行数据保护和正常关机操作。典型的方式是采用大容量电容并联在电源输入端，这种方式存在所需电容容量大，体积大，效率低下等缺点，通过提高电容充电电压的方式可以大大延长掉电后的工作时间。

航空电子设备和军用设备在母线电源掉电的情况下，需要维持一段时间的工作状态，进行数据保存和正常关机操作。不同的标准对掉电后工作时长有不同的定义和要求，最多可能需要7s。

为了在电源掉电后维持工作，通用的做法是用一个大容量电容连接在电源转换器的电源输入端，电源掉电后，由电容给电源转换器提供能量。

典型的电路原理图如图1所示。

R1：功率电阻，限制浪涌电流

D1：肖特基二极管，模式切换

C1：大容量电容，能量存储

这颗电容的选择要根据系统特点，负载大小，DC/ DC转换器的效率以及掉电后需要维持运行的时间来决定，电容的容量可以通过下面的公式1计算：

其中：

C1：需要选用的容值（F）

P：DC/DC转换器输出端功耗（W）

Dt：掉电后需要维持的时间（S）

V1：电容的初始充电电压（V）

V2：DC/DC转换器正常工作最低电压（V）

对于需要100ms维持时间，20W功耗，最低工作输入电压为16V、转换效率为80%的DC/DC转换器这样一个系统来说，如果输入为符合MIL-STD-704标准的28V母线，那么所需要的电容为：

所以要装备10mF/40V的大容量电容器或电容阵列才能达到要求，如果系统工作在MIL-STD-704标准允许的最低电压（22V），那么所需的电容容量还要加大才行。

使用这种方式的备份电源需要面临两个问题：

1）电容被充电至的电压（V1）与输入电源掉电时的电压相同，电容存储的能量随着充电电压降低而变小，某些情况下，可能导致V1与V2非常接近，这是就起不到备份电源的目的；

2）随着功耗的提升，所需的电容值就越大，电容的体积就越大，占用宝贵的PCB空间，而且大容量电容在充电过程中，需要使用功率电阻R1来限制浪涌电流。

改进方案

图1　独立电容备份电源电路

图2　BOOST-BUCK备份电源原理图

为了提升电容存储的能量，减少体积，可以采用BOOST转换器将电源电压升高，提高电容的充电电压，当电源掉电后，直接使用电容供电或利用BUCK转换器将电容上的高压转换成低压使用。电路原理图如图2所示。

图3　采用LTC3643的5V电源系统

图4　采用HUD300的28V电源系统

正常供电状态下Vin高于Vset，Q2开启，Q1关闭，Vin通过BOOST电路将电压升高，给电容C1充电，当电源电压低于Vset，Q1开启，Q2关闭，电容通过BUCK电路放电，提供备份电力。

但是通过分立元器件搭建电路比较费时费力，通过现有的专用器件可以节省时间，减少占用体积，下面将介绍高低功耗两种解决方案。

小功率方案

以5V系统为例，采用LINEAR公司的LTC3643的备份电源电路原理图见图3。

LTC3643将5V输入电源最高升压至40V给大容量电容充电，那么根据公式1，10W系统采用1mF/50V电容的掉电持续工作时间为：

大功率方案

以MIL-STD-704标准的28V系统为例，采用GAIA公司的HUGD300 HOLD-UP模块的备份电源最高可提供300W的功率。电路原理图见图4。

LTC3643可将输入电源最高升压至80V给大容量电容充电，若电路后端使用的DC/DC转换器输入范围是16～80V，效率为80%，100W系统想要掉电后持续100ms那么根据公式1，所需电容为：

若是采用独立电容方案，那么

所需电容的容量太大，占用空间难以接受。

结语

通过使用BOOST-BUCK方法，虽然增加了部分成本，但是可以提高电容存储的能量，降低对大容量电容的需求，大大缩小了占用的PCB尺寸，能够减小航空电子设备的体积。本文中提供的两种不同功率的解决方案值得在航空电子设备中推广和使用。

王 亮 高志远 李盘文

中国飞行试验研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.012