一種用于航空重力供電系統(tǒng)的新型電路連接方式

蔣久明，安戰(zhàn)鋒，石磊，孟慶奎，金久強，王志博

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質(zhì)重點實驗室，北京 100083)

0 引言

在航空重力供電系統(tǒng)中，電源工作的穩(wěn)定性至關重要[1]。用單臺電源實現(xiàn)大功率，會造成電應力大，給功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的進一步提高帶來困難，且一旦單臺電源發(fā)生故障，將導致整個系統(tǒng)崩潰。采用多個電源模塊并聯(lián)運行，并聯(lián)系統(tǒng)中每個模塊處理較小功率，解決了上述采用單臺電源的弊端，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。由于各個電源模塊的外特性不一樣，分擔的負載電流也不均衡，承受電流多的模塊可靠性大為降低。因此，并聯(lián)運行的電源模塊必須解決負載電流均勻分配和穩(wěn)定啟動的問題[2]。

在重力儀的不間斷供電系統(tǒng)中，需要將交流電220 V變換為直流28 V功率800 W。為了減小體積，提高電源的可靠性，一般情況下，采用性能好的整流濾波集成模塊和DC-DC電源模塊組合實現(xiàn)[3]，本文主要是以美國VICOR公司生產(chǎn)的功率1 000 W的整流濾波模塊FARM2T11和2個功率400 W的電源模塊V300A28T400B來搭建電路實現(xiàn)這個功能，并提出一種新型的電路連接方式來實現(xiàn)滿載穩(wěn)定啟動的方案。

在美國VICOR公司芯片技術(shù)手冊中，一般推薦使用者默認采用整流濾波模塊FARM2T11的EN輸出端連接DC-DC電源模塊V300A28T400B的PC使能端，來使能控制V300A28T400B工作狀態(tài)。但是EN同時控制2個電源模塊V300A28T400B的PC時，有時輸出低電平不能保證PC端一直低于 2.3 V(低電平的最高門限值)，也就不能保證一直有效拉低電源模塊V300A28T400B的PC使能端，DC-DC電源模塊會嘗試啟動，使得整流濾波模塊在上電階段出現(xiàn)提前帶負載，影響整流濾波模塊FARM2T11的正常啟動。也就會出現(xiàn)：“開機—輸出電壓—關機—再開機”一直重復啟動的故障，整個電源系統(tǒng)不能正常開機。

本文提出一種新型的電路連接方式可以解決上述問題，采用和EN端反相電位的BOK端和外接三極管來組合控制2個電源模塊V300A28T400B的PC使能端，能保證PC的低電平一直低于2.3 V，從而實現(xiàn)電源系統(tǒng)正常的滿載啟動[4-8]。

1 基本電路原理介紹

在設計航空重力供電系統(tǒng)時，一般我們選用VICOR公司提供的整流濾波模塊FARM2T11和兩個400 W電源模塊V300A28T400B組成完整的28 V/800 W電源系統(tǒng)時，但在實際工作中存在下列問題：根據(jù)VICOR公司芯片技術(shù)手冊中推薦的采用整流濾波模塊FARM2T11輸出使能端EN來連接DC-DC電源模塊V300A28T400B的PC端進行使能和關斷模塊，在電源模塊的均流端PR不做任何連接時，單個電源模塊均可以帶小于400 W的負載開機；當兩個DC-DC電源模塊的均流端PR做交流耦合連接時，這種情況下帶載開機，不管負載小于400 W，還是在400～800 W之間，由于EN端在驅(qū)動PC端時不能保證PC端電壓一直低于2.3 V，也就是DC-DC電源模塊在整流濾波模塊上電階段不能一直處于關掉待機狀態(tài)，導致有可能會出現(xiàn)：“開機—輸出電壓—關機—再開機”這種一直重復啟動的故障現(xiàn)象，不能正常開機。本文提出一種使用BOK驅(qū)動PC端的新型電路連接方式來解決這個問題。

為更好理解本文中航空重力電源系統(tǒng)的工作原理，下面結(jié)合電路原理框圖來介紹和分析各部分電路功能。在兩個DC-DC電源模塊之間是以PR端交流耦合連接為例說明，實際設計中，也可以采用變壓器耦合連接。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 航空重力供電系統(tǒng)的電路原理框

圖中N1為整流濾波模塊FARM2T11,虛線框為電源模塊使能控制電路，N2、N3為DC-DC電源模塊V300A28T400B。

該電路原理框圖可以分為濾波整流電路，電源模塊使能控制電路，可均流的DC-DC電源變換等3部分電路組成，下面對每個部分電路進行簡單介紹。

1.1 濾波整流電路

這部分電路主要把220 V的交流電進行整流濾波后變成311 V左右的直流電壓，具體電路中使用VICOR公司的整流濾波模塊FARM2T11和外圍配置電路組成，外圍部分包括J1、S1、N1、R1、C1等，如圖2所示。

圖2 FARM2T11組成的整流濾波電路

N1指的就是核心元件的整流濾波模塊FARM2T11，提供了EMI濾波，自變換量程的整流和開機時浪涌電流的限制。內(nèi)部包含一個微控制器，連續(xù)檢測輸出電壓UA，并據(jù)此對外輸出EN和BOK信號，以便于控制均流電源模塊N2和N3(型號為V300A28T400B)按照一定的時序開關機，對內(nèi)控制PTC熱敏電阻的旁路和整流電路的倍壓[9-11]。整流濾波模塊FARM2T11的內(nèi)部原理見圖3，F(xiàn)ARM2T11電源開啟和關閉的時序見圖4。

圖3 整流濾波模塊FARM2T11內(nèi)部原理框

圖4 FARM2T11的上電和掉電時序

當交流輸入開關合上后，交流電通過整流濾波模塊N1內(nèi)部的PTC(正溫系數(shù))熱敏電阻經(jīng)過整流給儲能電容C1充電，PTC熱敏電阻限制充電電流，當電容上的電壓UA對時間的斜率接近0時，電容上的電壓UA充電到最大值；當UA大于200 V，倍壓整流不起作用，全橋整流起作用；當UA大于235 V，旁路掉電流限制的熱敏電阻，而UA小于235 V, 不會旁路熱敏電阻。在旁路掉熱敏電阻后150 ms，整流濾波模塊N1的EN端輸出高電位；在旁路掉熱敏電阻后300 ms，整流濾波模塊N1的BOK端輸出低電位0 V，之前輸出高電位16 V。

當交流開關S1關斷時，儲能電容上的電壓通過電阻R1放電。當UA小于210 V時,濾波整流模塊N1的BOK端恢復高電位。當UA小于190 V時，濾波整流模塊N1的EN端輸出低電位，同時整流濾波模塊完全停止工作，此時如果交流輸入恢復供電，整流濾波模塊將重復整個上電工作時序。如果輸入出現(xiàn)瞬時中斷，且在總線UA在下降到關機閾值190 V之前電源重新恢復輸入供電，則整流濾波模塊不會重復上電時序，即電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)“穿越”瞬時中斷。

1.2 電源模塊使能端控制電路

這部分內(nèi)容是本文討論的重點，也是航空重力供電系統(tǒng)的重要部分，直接影響到供電系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，以圖5為例進行討論。

圖5 VICOR公司芯片技術(shù)手冊推薦的整流濾波模塊EN端驅(qū)動DC-DC模塊的使能端PC

主要由R4、D2和D3組成。當帶載開機時(開關S1閉合)，交流電通過整流濾波模塊N1內(nèi)部的PTC(正溫系數(shù))熱敏電阻經(jīng)過整流給儲能電容C1充電。當儲能電容上的電壓UA小于235 V，整流濾波模塊N1的EN端輸出低電位，通過限流電阻R4，D2和D3將N2和N3的PC端拉為低電位(小于 2.3 V)，禁止電源模塊N2和N3輸出電壓，這時負載RL上沒有電壓。

當儲能電容上的電壓UA大于235 V，整流濾波模塊內(nèi)部的控制電路旁路掉給儲能電容充電的PTC(正溫系數(shù))電流限制熱敏電阻，這會使給儲能電容充電的整流濾波模塊回路中的等效電阻大大減小，可以更快速地給儲能電容C1充電，電壓UA上升。在熱敏電阻旁路后150 ms時刻，整流濾波模塊N1的EN端輸出高電位16 V，二極管D2和D3截止，電源模塊N2和N3的PC端不受外電路控制，由內(nèi)部輔助電源上拉到5.75 V，延時4 ms后電源模塊N2和N3被使能，輸出電壓28 V經(jīng)過D1A和D1B給負載電阻RL供電。由于N2和N3的PR端的高頻開關脈沖通過交流耦合到均流母線上，N2和N3均勻分配負載電流。此時，N2和N3被使能帶載，相當于整流濾波模塊N1的輸出端帶載，儲能電容的電壓UA會因空載到帶載而降低，但只要UA大于190 V，電源就不會重啟。但是這種電路存在缺點：由于整流濾波模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，EN輸出低電平時，并不能有效地保證PC端低電平一直小于2.3 V，即不能保證在整流濾波模塊啟動過程中，一直有效關掉封鎖N2和N3使能端，N2和N3會嘗試啟動輸出電壓，使得整流濾波模塊提前帶載，在上電階段很難有效快速升壓到235 V，影響整個電源系統(tǒng)的啟動。PC端的具體電平分析在下一節(jié)中具體介紹。

1.3 可均流DC-DC變換電路

DC-DC轉(zhuǎn)換部分電路由F1、F2、N2、N3、D1A、D1B、C2、C3和RL組成，圖5所示。當N2和N3的使能端PC電壓高于2.3 V時，使能DC-DC電源模塊N2和N3，將整流濾波后的電壓UA轉(zhuǎn)換為直流28 V輸出，供給負載RL。保險絲F1和F2提供電源模塊N2和N3的輸入短路容錯，二極管D1A和D1B提供電源模塊N2和N3的輸出短路容錯。C2和C3是均流母線上的交流耦合電容，連接在電源模塊的PR端和均流母線UC上，作為主模塊的PR端發(fā)出高頻開關脈沖(自動選主)，從模塊的PR端接收此脈沖，均流母線上UC為同步脈沖，模塊使用這個脈沖作為增強功率和容錯的均流信號，同步兩個400 W的電源模塊均勻分配負載電流(滿載800 W),即提高了功率，又不增加功率器件的電應力，提高了整個系統(tǒng)的可靠性[12-13]，當然這里的均流技術(shù)不是本文討論的重點，只是為了讀者更好地理解整個電路，才進行簡單的介紹。

2 常規(guī)使能控制的電路連接方式

在1.2小節(jié)已經(jīng)介紹了VICOR公司芯片手冊中推薦的選用整流濾波模塊FARM2T11的EN輸出端連接DC-DC電源模塊V300A28T400B的PC使能端，組成常規(guī)的使能控制電路連接方式。

如圖6所示，在用FARM2T11的EN端驅(qū)動PC端的情況下，在芯片內(nèi)部EN通過150 K電阻和N通道MOSFET管上拉到15 V。在開機上電階段EN輸出低電平，通過R4和二極管連接DC-DC的PC端來關斷DC-DC電源模塊，使得電源系統(tǒng)上電階段，DC-DC芯片不工作。在經(jīng)過一段時間后，當滿足圖4中的3.1點條件，輸出總線電壓大于235 V，且UA增長曲線斜率趨向于0時，啟動旁路PTC熱敏電阻，150 mms后，EN端輸出高電平15 V，這時與DC-DC的PC使能端連接的二極管截止，PC端被DC-DC內(nèi)部電路上拉到5.7 V，使能端PC為高電平，DC-DC開始啟動電壓轉(zhuǎn)換，輸出28 V直流電給航空重力儀等負載[14]。

圖6 FARM2T11的EN端驅(qū)動DC-DC模塊PC端

但實際工作中，在電源系統(tǒng)的整流濾波模塊上電階段，EN應處低電平，內(nèi)部的MOS管處于導通狀態(tài)，通過R4把PC拉到低電平(要求小于2.3 V)，但是MOS管導通時，實測導通漏級源級壓降UDS為0.9 V左右，PC端限流3 mA，R4選取300 Ω，電阻壓降為0.9 V，二極管導通壓降0.45 V(本文以選取二極管IN5817為例)，故PC端低電平時電壓為 2.25 V，非常接近低電平的要求的上限值2.3 V。若同時啟動2個并聯(lián)的DC-DC電源模塊，電阻R4的電流會變大，壓降也會增大。而且整流濾波模塊與DC-DC模塊之間通路導線也多少有一定的壓降。這就導致PC端的低電平電壓不能保證一直低于2.3 V，就不能保證DC-DC電源模塊在電源上電階段處于關閉狀態(tài)，會嘗試啟動轉(zhuǎn)換電壓給負載，從而使整流濾波模塊的輸出總線電壓提前帶載，影響整理濾波模塊內(nèi)部的控制時序條件，進而影響整個電源系統(tǒng)的有效啟動過程，會出現(xiàn)本文前面提到的反復“開機—輸出電壓—關機—再開機”的故障現(xiàn)象[15-16]。

3 新型連驅(qū)動方式

為了解決上述啟動故障，本文在整流濾波模塊和DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊之間采取了一種新型連接方式，如圖7所示。采用整流濾波模塊FARM2T11的Bus OK輸出端(以下簡稱BOK端)代替EN端來使能DC-DC的PC端，BOK端與EN端恰好輸出電平是反相的電位(圖4時序所示)，外接一個NPN型的三極管來搭建控制PC端的驅(qū)動電路。

在圖7中，J1為交流電,VAC(范圍 AC90V～264V)，S1為雙刀單擲開關，R1～R4為電阻，RL為負載電阻，C1為儲能電容，D1為肖特基二極管，D2～D3為二極管1N5817,F1～F2為保險絲，N1為濾波整流模塊FARM2T11, N2～N3為DC-DC電源轉(zhuǎn)化模塊V300A28T400B，以及Q1為NPN三極管2N3904。

圖7 FARM2T11的B-OK驅(qū)動DC-DC模塊的使能端PC

電源上電階段，當儲能電容C1的電壓UA小于235 V，整流濾波模塊N1的BOK端輸出電壓UBOK為高電位16 V(見圖4時序)，通過限流電阻R4連接到NPN三極管Q1的基極，使Q1導通，通過R3，D2和D3將N2和N3的PC端拉為低電位，禁止電源模塊N2和N3啟動輸出電壓。而此時的PC點電壓則由三極管Q1的飽和壓降，和集電極的電阻R3和二極管決定，與電阻R4壓降無關。三極管Q1的型號選為2N3904，通過查詢手冊飽和壓降UCE為最大為0.3 V，集電極電阻R3選取150 Ω·m，因為單個DC-DC模塊的PC端內(nèi)部的限流為3 mA，兩個模塊為6 mA，故R3上壓降為0.9 V，二極管D2型號為1N5817導通壓降為0.45 V，同時在PCB電路板設計時，三極管Q1可以放置在DC-DC模塊附近，導線壓降可以忽略不計，所以PC的電壓為1.65 V，遠小于PC端低電平的最大值2.3 V，所以能保證電源上電階段，DC-DC模塊能有效的關閉，不影響整流濾波工作，不會出現(xiàn)上文提到的電源系統(tǒng)反復重啟的現(xiàn)象，從而整個電源系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定[17]。

當儲能電容上的電壓UA大于235 V，且電壓增長斜率趨向于0時，整流濾波模塊內(nèi)部的控制電路旁路掉給儲能電容充電的PTC(正溫系數(shù))電流限制熱敏電阻，經(jīng)過300 ms時間，整流濾波模塊N1的BOK端輸出低電位0 V，三極管Q1截止，電源模塊N2和N3的PC端不受外電路控制，由內(nèi)部輔助電源上拉到5.75 V，延時4 ms后電源模塊N2和N3被使能，輸出電壓28V經(jīng)過D1A和D1B給負載電阻RL正常供電[18]。

4 EN和BOK上電和掉電特性對比

EN和BOK端口的上電和掉電工作特性圖如圖8所示，在圖8a中，在滿足一定條件下，BOK端口在EN變電平后150 ms輸出低電平，結(jié)合三極管驅(qū)動DC-DC模塊，多延遲的150 ms時間，有助于整流濾波模塊FARM2T11內(nèi)部的充分完成轉(zhuǎn)化過程。在圖8b中,在FARM2T11掉電后，只有直流輸出總線電壓VDC低于190 V時，BOK才會變成高電平，將封鎖后面的DC-DC模塊；只要在輸出總線電壓VDC降低到190 V之前恢復供電，BOK電平就不會變化，整流濾波模塊FARM2T11不需要重復整個上電的過程，不影響整個電源系統(tǒng)的供電。

圖8 FARM2T11中EN和BOK端口的上電(a)與掉電(b)波形

5 結(jié)論

1)本文通過設計一種新型的電路連接結(jié)構(gòu)，采用濾波整流模塊輸出端BOK，來控制DC-DC電源模塊的使能端PC，得電源模塊的PC端在電源系統(tǒng)上電階段能夠充分拉低到2.3 V以下，儲能電容C1上的電壓比常規(guī)推薦的采用濾波整流模塊的EN端控制時(限流電阻旁路后經(jīng)過150 ms延時)的電壓高很多，即使均流的兩個電源模塊帶滿載800 W開機，儲能電容上的電壓UA也不會降到使N2和N3關機的210 V,更不會降到電源系統(tǒng)關機的190 V, 這就避免在滿載開機時出現(xiàn)“開機—輸出電壓—關機—再開機”一直重復啟動的故障。

2)在本文的電路結(jié)構(gòu)中，三極管Q1和二極管的型號選擇只是一種參考，讀者可以根據(jù)自己的需求更換其他相同功能的電子元器件。只要計算好導通壓降，使得DC-DC電源模塊的PC端在低電平時必須保證足夠低于2.3 V即可。

3)在具體電路PCB電路板設計中，盡量使三極管放置離DC-DC電源模塊近一點，這樣可以使得導通回路的壓降降低，更能保障電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。