小型化程控電源通用化設(shè)計(jì)研究

花偉峰 張婷婷 陳名勝

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

某系統(tǒng)地面電源主要由28V直流電源組成。由于地面電源是供電系統(tǒng)重要組成部分,主要用于地面測(cè)試單機(jī)設(shè)備供電,所以其工作狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)整個(gè)試驗(yàn)流程中的測(cè)試可靠性。本文對(duì)系統(tǒng)地面電源向小型化、通用化、智能化方向發(fā)展進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,同時(shí)還需要兼顧電源系統(tǒng)整體供電冗余度設(shè)計(jì),保證在整個(gè)測(cè)試流程中電源供電的可靠,并實(shí)現(xiàn)不間斷供電的要求。

1 設(shè)計(jì)思路

直流電源原理框圖如圖1所示:電源由輸入濾波/控制保護(hù)單元、AC/DC模塊(1個(gè)或多個(gè))、輸出濾波/控制保護(hù)單元、主控板和觸摸屏組成。輸入濾波/控制保護(hù)單元可以改善電源輸入的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護(hù)的功能。AC/DC模塊(一個(gè)或多個(gè))是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的直流電源。其中20A電源采用1個(gè)電源模塊,100A電源采用2個(gè)電源模塊并聯(lián),300A電源采用6個(gè)電源模塊并聯(lián)。輸出濾波/控制保護(hù)單元可以改善電源輸出的電磁兼容性,并具備可控通/斷和異常保護(hù)的功能。主控板的作用是將來(lái)自上位機(jī)的控制命令/來(lái)自觸摸屏的控制命令轉(zhuǎn)化為模塊和兩個(gè)控制單元可以識(shí)別的信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)遙控/本控的功能。觸摸屏是本地控制的輸入界面,同時(shí)也是電源各種參數(shù)及狀態(tài)顯示的窗口。

圖1 直流電源組成原理框圖Fig.1 Principle block diagram of DC power supply

圖2 直流電源系統(tǒng)原理圖Fig.2 System principle diagram of DC power supply

2 工程實(shí)施過(guò)程

2.1 具體設(shè)計(jì)方案

電源主要由新型1U電源模塊、電源監(jiān)控電路、濾波電路、交流、直流配電和相應(yīng)的電子線路以及接口組成。直流電源原理框圖見圖2。

圖3 電源控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of power control circuit

圖4 遠(yuǎn)程補(bǔ)償切換原理圖Fig.4 Schematic diagram of remote compensation switching

系統(tǒng)的輸入為市電,電源輸入為單相電源, 市電輸入后,接通總開關(guān),電源模塊啟動(dòng)工作,輸出直流20～45V。

電源主副機(jī)可并機(jī)運(yùn)行,當(dāng)主機(jī)故障時(shí)自動(dòng)切換至副機(jī)供電,實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

電源實(shí)現(xiàn)三路輸出,分別為模擬電纜輸出、地面供電、電源供電輸出?？稍谑謩?dòng)/遙控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)通/斷操作;電源供電為前級(jí)輸出,地面供電、模擬電纜供電為后級(jí)輸出。

單片機(jī)控制電路主要由輸出控制電路、反饋補(bǔ)償切換電路、顯示電路、保護(hù)電路、和通訊電路組成。其中輸出控制電路主要實(shí)現(xiàn)地面電源供電、模擬電纜供電等輸出本控及遙控功能以及電源各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定(電壓、通訊參數(shù)及功能設(shè)定);反饋補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)地面電源反饋和模擬電纜反饋切換,保證在接通相應(yīng)負(fù)載時(shí),反饋點(diǎn)能引入電源,實(shí)現(xiàn)線壓降補(bǔ)償。顯示電路主要將采集到的模擬量信號(hào)進(jìn)行處理,并在屏幕上顯示,實(shí)現(xiàn)本地電源運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)參數(shù)設(shè)定,當(dāng)實(shí)測(cè)值超過(guò)設(shè)定值時(shí),立即切換電源輸出,保護(hù)供電負(fù)載。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

電源控制電路以嵌入式控制器32位ARM高性能單片機(jī)為核心,連接高分辨率觸摸屏組成觸摸式微型單板控制器,其上運(yùn)行監(jiān)控處理軟件,電源的電壓、電流等傳感器模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸電壓、電流等參數(shù)。高性能單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解析,并將電源狀態(tài)信息通過(guò)顯示接口顯示在觸摸屏上。用戶通過(guò)觸摸屏發(fā)送控制指令到數(shù)據(jù)處理分類模塊,數(shù)據(jù)處理分類模塊解析后傳到電源控制模塊再通過(guò)GPIO接口控制繼電器組實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)的通斷。遠(yuǎn)端上位機(jī)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向嵌入式控制器發(fā)送請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)電源的監(jiān)控,數(shù)據(jù)處理分類模塊接收到請(qǐng)求指令后,向相應(yīng)模塊讀取信息或發(fā)送控制命令從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控。用戶可通過(guò)參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置參數(shù)[1]。電路原理如圖3所示。

2.3 雙冗余設(shè)計(jì)

在地面電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用了雙冗余設(shè)計(jì)。單臺(tái)電源設(shè)備中的整流模塊采用了N+1冗余并聯(lián)運(yùn)行方式,模塊自動(dòng)均流,均分負(fù)載,一個(gè)模塊故障不影響設(shè)備的輸出。同時(shí),電源輸出端均加裝隔離二級(jí)管,可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)并聯(lián)輸出,當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換至副機(jī)輸出,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 電源保護(hù)原理圖Fig.5 Schematic diagram of power protection

電源采用二極管隔離方式并聯(lián),選定一臺(tái)為主機(jī),另一臺(tái)為副機(jī),主機(jī)電壓設(shè)定比副機(jī)電壓高0.7V,這樣能保證主、副機(jī)電源模塊同時(shí)輸出,且因主機(jī)電壓高于副機(jī)而將副機(jī)的輸出端隔離二極管截止,只有主機(jī)輸出端二極管V1對(duì)外輸出。當(dāng)主機(jī)故障切斷主回路輸出后,副機(jī)隔離二極管導(dǎo)通輸出。

2.4 電壓降自動(dòng)補(bǔ)償及切換

直流電源可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線遠(yuǎn)距離供電補(bǔ)償,補(bǔ)償長(zhǎng)線引起的線壓降[2],確保電源輸出電壓的穩(wěn)定,補(bǔ)償點(diǎn)分2路,可根據(jù)需要進(jìn)行切換。原理如圖4。

2.5 保護(hù)電路

如圖5,電源的保護(hù)功能主要通過(guò)單片機(jī)控制板來(lái)實(shí)現(xiàn)。在LED顯示屏主界面中點(diǎn)觸“設(shè)置”按鈕,再點(diǎn)擊相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字框,即可方便的設(shè)置保護(hù)參數(shù)值。單片機(jī)將采樣值與設(shè)置值進(jìn)行比較,通過(guò)IO接口驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行動(dòng)作。

2.6 軟件設(shè)計(jì)

電源軟件主要涉及內(nèi)部單片機(jī)軟件,主要實(shí)現(xiàn)電源控制、通訊功能,同時(shí)檢查電壓和電流狀態(tài),對(duì)異常情況進(jìn)行保護(hù)[3]。流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程示意圖Fig.6 Software flow diagram

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某系統(tǒng)地面電源通用化、小型化和智能化方案設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究,該方案已成熟應(yīng)用于系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)了通用化使用要求,同時(shí)新電源體積減少至原電源的三分之一,實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)要求。此外電源所有控制指令和參數(shù)設(shè)定均可通過(guò)上位機(jī)操作,實(shí)現(xiàn)100%遠(yuǎn)程控制,滿足電源智能化設(shè)計(jì)要求。后續(xù)對(duì)地面電源將進(jìn)一步迭代設(shè)計(jì),滿足更多系統(tǒng)使用需求。