基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计

基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计

1、摘要

根据某集控系统VME总线主控微机及接口板卡供电要求，以中电华星提供的VICOR二代系列模块为基础进行了电源模块的优化设计．从保证电源瞬时失电而维持不问断输出的角度优化确定了电路中的保持电容，从电路和结构设计等多方面进行优化以确保电源具有良好的工作可靠性、安全性、电磁兼容性和散热性。样机研制及试验表明该电源设计方法有效可行

某船集控系统采用基于VME总线的加固计算机作为中央控制台主控计算机，相关接口板卡通过VME总线背板统一供电．主机及总线接口板卡需要供给电压稳定、转换效率高、纹波和噪声系数小、散热性能良好、可靠性高以及安全性好的高品质电源，且要求结构紧凑．能以模块化结构形式进行插拔式安装和拆卸

为满足上述要求并缩短开发周期、节省设计成本和提高产品的标准化水平，考虑到VICOR系列产品在功率密度、散热特性、模块化程度、设计灵活性等方面所具有的明显优势及其在军品电源设计中的广泛应用，在此基于中电华星提供的VICOR系列模块进行设计。在《飞轮制动切换研究》一文中给出了一种基于VICOR一代产品进行电源二次开发和设计的方法。得益于电子技术的快速发展．近年来推出的VICOR二代产品相比一代产品在综合性能指标及效费比方面具有明显优势，因此基于二代电源模块进行了电源的二次开发和设计。

2 基本设计方案及工作原理

从提高可靠性角度出发．实装中集控系统配置的输入电源为主、备用两路220 V／400 Hz中频交流电。因此。所设计电源的基本任务是将两路输入电源通过自动切换电路后输出至下一级电路．然后将其转换为符合供电要求的高品质DC+5 V和DC+12 V工作电源。根据该要求和中电华星提供的VICOR二代可选系列模块的特点．确定所要设计电源的基本构成和工作原理，如图1所示。

3 电源设计及实现

3．1 主备用交流输入电源自动切换电路

基于主备用电源电压采样比较判断而进行自动转换的技术思路．设计了主备用输入电源自动切换电路，如图2所示。图中，继电器K2的通、断电由比较器输出信号控制，其触点则接入继电器K3线圈回路，K3触点控制主、备用电源之间的切换。电路的工作过程为：电压比较器同、反相输入端分别连接主、备用电源经变压器和整流转换后的信号，其输出控制三极管U1B。 的通断。当主用电源输入正常时，比较器正饱和使得U1B截止，K2和K3处于关断状态，电路由主用电源供电：当主用电源电压值低至一定程度时，比较器负饱和，U1B导通使得K2导通并控制K3导通，电路输入自动切换到备用电源。

3．2 电源滤波、转换及保护电路设计

图3示出以中电华星提供的VICOR二代AC／DC和DC／DC模块为核心设计的电源主体工作电路，主要包括1型滤波兼AC／DC转换模块、3型DC／DC转换模块以及相关附属电路。图中的滤波和自动调节整流模块(Fiher／Autoranging Rectifier Module，简称FARM模块)用来对输入电源进行滤波和整流闭，其内部滤波电路集成有抑制电压瞬变的压敏电阻、铁氧体线圈、滤除差模干扰的X电容、滤除共模干扰的Y电容以及保护电阻．模块的输入为AC220V、输出为DC300V：DC／DC模块用于将FARM模块输出的DC300 V转换为VME总线加固微机所需DC+5 V和DC+12 V的计算机工作电源。文中电源模块中的几个特殊技术问题主要涉及DC／DC转换输入端保持电容的选型计算和电源保护电路的设计。

3．2．1 DC／DC转换及保持电容优化设计

在设计电源电路的时侯，采用V300C5C50B和V300C12C75B两种模块对FARM输出进行DC／DC转换，FARM输出约为DC300V，经以上两模块后可直接得到+5 V和±12V的工作电源。所选用DC／DC模块的主要特点为：效率高达89％：满载时的工作温度达到100℃ ：功率密度高达90W 每立方英寸：尺寸小，安装方便。

在实际应用中，要求输入电源出现规定时间内的瞬时中断时，电源必须维持规定的输出电压，图3中保持电容 C7，C8 用于在电源接通时进行充电储能，当输入电压中断后，保持电容通过释放所储存的电量来保证一定时间内的输出电压。保持电容的容量C取决于输出母线电压的纹波、电源中断保持时问和过渡时间。保持电容计算过程如下：

电容充电电压为u时。电容器中贮存的电量ε=Cu2/2输入电源中断后，转换器模块所需的电量由电容器放电提供，该电量为：

式中：P为转换器的输出功率；△t为电容放电时间间隔；U1为起点电容器的电压；U2为终点电容器的电压。

所设计电源的保持电容参数要求为：U1=205 V，U2=185 V，△t=9 ms，P=-500 W，所以C=1153 μF。

3．2．2 关断保护电路设计

当DC／DC转换模块输出电压偏离正常值较大时，为保证计算机系统的工作可靠性，电源电路应设置自动关断保护功能，即当转换器输出异常时自动关断电源模块，以保护负载电路。图4示出电源的关断保护电路。

DC+5 V电压作为计算机最重要的供电电源，应具备较高的电源品质和较好的稳定性，图4中的两个电压比较器组成的电压上下限比较电路用于检测DC+5V输出电压，当电压偏离正常值较大时，通过光耦输出电压异常故障信号。DC±12V是计算机风扇及其他接口部件的供电电源，电源品质可低于+5V为简化电路设计。使用稳压管VDw2和光耦U2：组成DC+12 V输出电压状态检测电路。当输入、输出电压信号异常时，由相关检测电路产生的关断信号作为或非门U4的输入．向外输出总的关断信号。当三极管VT1。导通时。与其相连的PC脚电平被拉低，DC／DC转换器关断。图4中的基准电压 。U1， U2是由DC／DC转换器TMR2412提供的，TMR2412将24 V直流电转换成12V直流电．分别为光耦、三极管和运放电路提供偏置电压和基准电压。

3．3 散热设计及电磁兼容·陛问题

3．3．1 电源的散热管理

热损坏是导致电源故障和失效的重要因素之一 按标准尺寸生产的第2代VICOR模块具有更大的功率密度．功率损耗为10％～20％ ，损耗以热量的形式散发 。实装集控系统中，模块接插在机箱中，若不采取有效的散热措施，这部分热量将使电源模块和机箱内部升温，容易导致电源品质变差，出现故障直至失效，或导致机箱内部其他部件不能正常工作。为妥善解决该问题．除了在中电华星提供的VICOR模块表面装有散热片外，再综合采用辐射散热、传导散热以及自然对流与强制对流相结合的散热设计措施， 同时在机箱下方配置独立的风扇对电源及其他工作部件进行通风散热，以确保优良的散热性。通过采用上述技术手段，取消了在电源本体中设置风扇的常规性措施．避免了常规电源中风扇及其控制电路这一易发故障因素，从而提高电源的可靠性指标

3．3．2 电源的电磁兼容性

良好的电磁兼容(EMC)设计是计算机与其他电子设备电磁兼容的有效保证，在设计中一般综合采用抑制干扰源，解决好电源共地，进行有效屏蔽、设计或选用合适的抗干扰滤波器等措施。电源电路中所选用的基于零电流开关技术的VICOR模块EMC性能良好．从元件选用上降低了噪声干扰：电路设计对电源本身共地问题及其与电源负载的共地进行了统筹考虑：电源壳体采用封闭式金属外壳(同时将外壳加工成具有良好散热特性的结构形式)。保证具有良好的电磁屏蔽效果：实际电路会在FARM整流滤波模块的输入端接入X电容和Y电容，以进一步降低差模干扰和共模干扰。

4 模块配机试验及结论

将研制的电源模块接插于标准的VEM总线机箱内，按输入输出电气特性定义连接好输入输出线缆．给VME总线单板机和其他接口设备供电．长时工作试用和测试结果表明：①当主用电源电压降至约175 V时，电源输入自动切换至备用电源．电压回升至194 V时，再自动切换回主用电源．由于保持电容的作用，确保了切换瞬间电源输出连续稳定；② 电源输出纹波峰值、负载调整率分别小于1％和0．5％，满足技术要求；③散热特性良好。可见。该电源设计方法和技术有效可行．可满足高性能电源工作要求。