一种嵌入式计算机应急电源切换控制系统设计

董 凯，千鸿哲，贺治飞，田育新

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

对于机上主电源和蓄电池应急电源的掉电切换，正常情况下不从蓄电池用电，不向蓄电池供电。只有机上主电源掉电切换到蓄电池应急电源时，使用蓄电池的应急供电，在此期间若机上主汇流条恢复，则应立即切换为机上主汇流条供电，减少蓄电池应急电源的不必要使用[1]。该要求的核心在于切换要及时迅速，即在切换过程中后端负载模块不能出现掉电重启或其他工作不正常的现象，要保证后端负载模块平稳过渡，且当机上主汇流条恢复时要立刻切换回主汇流条供电。针对该需求，在设计时要保证检测电路及时准确，真实快速反映机上主汇流条的变化，同时还需滤除因环境干扰和线路抖动而引起的掉电尖刺。此外，切换要及时迅速。当检测到机上主汇流条掉电时，要迅速进行切换，供电由主汇流条迅速切换到蓄电池供电线路。由于切换的瞬间电子元器件有切换动作时间，为保证在切换期间后端负载工作正常，因此要设计储能电容，保证在机上主汇流条已掉电但应急蓄电池还未切换到位的时间内，后端负载模块还有储能电容储存的电量可用，可以正常平稳过渡到供电切换到应急蓄电池的线路上[2]。

1 应急电源切换控制系统

为了满足上述工作要求，设计了一种机载应急电源切换控制系统，包括电压检测电路、隔离驱动控制电路以及有源功率开关电路，整体框架如图1所示。

电压检测电路由比较器和基准源组成，当机上主电低于掉电门槛时，发送切换控制信号给隔离控制驱动电路。隔离控制电路主要由隔离光耦（N1）、场效应管（V3）、稳压管（V4）、电阻（R3、R4）以及驱动器（G1、G2）组成。当收到掉电信号时，N1导通，V3的栅极电压变低，V3不通，G1、G2的控制管脚电压变低，G1、G2发出驱动电压信号。有源功率开关电路主要由大功率、低内阻的场效应管（V1、V2）组成。当收到G1、G2发出的驱动电压信号时，V1、V2导通，应急电源通过V1、V2向主回路供电。V1的源极和V2的漏极相连，当主电源正常工作时，应急电源被V1隔断，主电源被V2隔断，从而保证了在正常工作时主电源既不向应急蓄电池充电，同时又不从应急蓄电池用电。只有当主电源电压故障时，应急蓄电池电压才会经过一系列的控制通过V1、V2向主回路供电。当主回路电压恢复时，关断V1、V2，应急电源不再供电[3-5]。

2 详细分析

实际应用中检测电路有两路，分别检测左发汇流条和右发汇流条。输入电压经过分压电阻分压进入到比较器的正端，比较器的负端接基准输出。机上输入电压正常时，比较器的正端电压高于负端，比较器输出为高，控制后端连接的光耦初级导通，光耦次级（输入电压检测信号）输出为低。将输入电压检测信号接入到控制器，在控制器里进行逻辑判断[6]。当汇流条输入电压正常时，比较器正端的输入电压大于负端基准电压值，比较器不翻转；当输入电压掉到正常工作电压的下限时，比较器正端电压小于负端基准电压值，比较器翻转。根据光耦的电流传输比（Current Transfer Ratio，CTR）和导通电流选择合适的原边限流电阻，保证光耦在任何外部环境下都能正常导通。

电压检测电路可以有效检测到输入电压的变化，及时将输入电压的变化传递到后级控制器，且可以滤除短时线路干扰，同时可以实现传输信号隔离。电路选用元器件的动作时间均在微秒级别，可以快速将前端输入电压的变化反馈到后端控制器，供后端的控制器及时了解汇流条电压的变化并进行相应控制。该电路在实际应用中可以根据实际的电压变化调节相应的元器件参数，以适应不同的供电体系。根据线路可能产生干扰的时间，调节并联滤波电容的容值大小。但该电容的容值不能过大，容值过大会导致前面输入电压已掉电而滤波电容上的电压在缓慢掉电，导致电压检测电路未来得及翻转，输入电压早已低于正常的工作范围，无法维持后端电路正常工作。同时由于辅助电源需要向检测电路的比较器和基准供电，而此辅助电源由前端输入电压变换而来，因此辅助电源的输入电压范围要宽，保证即使后端电路已无法正常工作，辅助电源仍能正常工作[7]。

检测输入电压的电路将检测信号输入到后端控制器，后端控制器经过比较判断后发出切换信号。图1中的光耦N1收到切换信号后导通，将场效应管V3的栅极驱动电压拉低，导致场效应管V3截止关断，使控制电路G1的使能信号变高，控制电路G1为N沟道场效应管V1驱动器，输出场效应管V1的栅极驱动电压，该驱动器G1由应急输入电压直接供电，为防止应急输入电压线路上有电压抖动，在其输入端并联TVS管，保护G1避免因电压尖刺而损坏。为防止驱动器G1输出的驱动电压震荡，在其输出通道上串联10 Ω的电阻。为防止场效应管V1的GS端因过压而损坏，在场效应管V1的GS端并联一稳压管，稳压管的击穿电压值为20 V左右，根据实际电路的应用环境，为避免在饱和导通时造成V1振荡，栅源极寄生电容不能过大[8,9]。V1选用N沟道场效应管，二极管的电压走向由源级S到漏极D。根据二极管的反向截止特性，在初始状态下汇流条输入电压正常，控制器接收到正常的检测信号，光耦N1不导通，场效应管V3导通，驱动器G1的使能信号变低，V1不导通，应急输入电压被截止在V1的漏极D，应急电源不供电。当汇流条的输入电压降低到低于正常的工作电压范围时，检测电压电路发生翻转并将检测信号输入到控制器，控制器接收到检测信号后通过比较判定输入电压不正常，发出应急切换信号。应急切换信号输入到光耦N1，光耦N1导通将场效应管V3的驱动电压拉低，场效应管V3处于截止状态，场效应管驱动器G1、G2的使能信号有效，场效应管驱动器G1输出驱动电压信号，驱动场效应管V1导通。V1导通后，输入到N沟道场效应管V2的源级S，同时向驱动器G2供电，G2供电管脚的电路和G1一致。由于场效应管V2的连接方向和V1相反，因此V2直接导通，驱动器G2的使能信号有效，则G2立即输出驱动电压，驱动场效应管V2由体二极管导通状态迅速过渡为饱和导通状态。V2饱和导通，应急电源向后端开始供电，在汇流条掉电的情况下能无间断地保证后端正常工作。场效应管V2的连接方向为源级到漏极，这种连接方式可以保证在汇流条正常工作时，场效应管V2漏极D处的电压不会通过V2和V1向应急蓄电池反向供电，影响蓄电池的正常工作。这样既保证应急蓄电池的电压不会不受控地向后端供电，又保证了后端电压不会不受控地向应急蓄电池供电，提升了应急蓄电池的稳定性[10]。

3 结 论

由于应急蓄电池储存的能量有限，因此必须确保在飞机主汇流条彻底掉电时才可使用应急电源，在机上汇流条正常时严禁偷电，保证应急电源在有限的条件下为最需要电源的装置供电。通过设计应急电源切换控制系统能够在主供电掉电的情况下及时对应急蓄电池电源进行切换，保证了后端负载模块正常工作，对于提高系统的稳定性、安全性以及可靠性具有重要的意义。