某型训练指挥台电源系统的优化设计

唐小贝

（海军军训器材研究所，北京102308）

某型训练指挥台电源系统的优化设计

唐小贝

（海军军训器材研究所，北京102308）

电源系统是为某型训练指挥台内部各设备提供能源支持的基础单元。通过对电源系统的组成结构和功能的系统分析，针对电源系统存在的3个方面不足，包括：启动冲击电流过大、电源开关存安全隐患以及风扇组交流负载消耗不合理，提出相应的优化措施，即：应用软启动电源降低启动冲击电流、利用低压控制高压提高安全性、使用直流风扇替换交流风扇降低交流负载消耗。实际应用表明，在采用上述优化措施后系统的可靠性和安全性均得到了明显提高，达到了优化的目的。

电源系统；冲击电流；开关电源

电源系统是所有电子设备能够正常工作的基础，在系统设计时也是往往容易被设计者所忽视的一个部分。一个合理、稳定的电源系统可以大大减少系统故障的发生率［1-3］。某型训练指挥台是某型号导弹地面指挥系统模拟训练系统的核心设备，是对系统中其它设备的调度和信息管理中心。当初设计时，其电源系统从性能和功能上满足了设计要求，但从多年来使用和维护的情况来看，在安全性和可靠性方面，还需要对其电源系统进行进一步的优化改进。

1　电源系统的组成

某型训练指挥台的电源系统包括DC-AC大功率转换电源模块、交流排气风扇组、工控机和2个液晶显示器，其组成框图如图1所示。

图1　电源系统组成框图Fig.1 Diagram of power system structure

该训练指挥台的电源系统是一个交直流混合系统，其输入电源为+27 V直流电源，波纹不大于10%，由室内稳压整流电源或野外机动电源车提供。

经过DC-AC大功率电源转换模块转换，输出3路 220 V、50Hz、功率为560 W的交流电源，具有过流、过压和过热保护等功能。分别给交流排气风扇组、工控机和2台液晶显示器供电。

交流风扇组由4个220 V交流排气风扇组成，对整个机柜的内部空间进行通风，形成上下空气对流，对设备进行降温，达到风冷效果。

工控机内的开关电源为工控机内的底版、主板和插卡提供+5 V、+12 V、-12 V、+3.3 V、+5 VSB等5组直流电源。

电源系统的加电过程为：

1）系统加电后，DC-AC电源转换模块立即工作，输出3路220 V交流电源；

2）第1路220 V交流电源输出到由4个交流风扇组成的风扇组，风扇组立即运转，开始通风降温；

3）第2路220 V交流电源为2个液晶显示器供电，显示器正常工作，等待CRT信号输入；

4）第3路220 V交流电源输出到工控机，当按下“键盘柜”上的电源“按键开关”后，工控机才加电，经过初始化等过程后进入正常工作状态，加电过程结束。

电源系统的断电过程为：

1）先将工控机进行软件关机，退出操作系统；

2）按“键盘柜”上的电源“按键开关”，使其弹起，对工控机断电；

3）再断掉系统的+27 V直流供电，DC-AC大功率电源转换模块停止工作，220 V交流电源停止供电，显示器停止工作，风扇停止工作，断电过程结束。

2　电源系统的分析与优化

2.1电源系统分析

某型训练指挥台的电源系统已经成功应用于部队，具有系统结构简单、维护方便等优点，但在实际使用、维护过程中，发现电源系统仍存在启动冲击电流大、电源开关位置不合理，以及风扇组交流供电负担大等方面的不足，需要进行改进。

1）启动冲击电流大。通过加入适当的电流/电压转换电路，并使用示波器现场测量发现［4-5］，如图2所示。系统启动时的冲击电流最大值约为23 A，而设计的DC-AC大功率电源转换模块的额定电流为2.55 A，相比模块额定功率，要求的最大输出电流的余量大为增大，导致设计难度加大。解决方法是要么增大输出功率，就增加了成本；要么提高限流门限，就会降低电源转换模块的使用安全和寿命［6-9］。系统设计时采用了2种解决方案相互配合设计，暂时满足了系统使用要求，但并没有从根本解决问题，只是提高了DC-AC的输出容量，比使用普通PC机启动时（约10 A）大13 A左右。

图2　启动时冲击电流测量Fig.2 Measurement of the starting impact current

2）电源开关位置不合理。工控机的电源开关位置与工控机不在一个机柜中，其交流电源线的连线图如图3所示，电源开关是通过将原来的开关上的电源线转接过来实现的。220 V交流电源由“按键开关”直接控制，从工控机内部经过“转接插座”到键盘柜上的“按键开关”，按下时交流的N、L线分别接通，再经过“转接插座”回到工控机内，最后到开关电源，给工控机供电。当按键开关弹起时，工控机就断电。这样的好处是保证了工控机的整体性，但因220 V高压连线过长，存在一定的安全隐患，且会在工控机箱内对系统内的其他部件产生一定的电磁干扰。

图3　工控机交流电源连接图Fig.3 Diagram ofAC power connection circuit

3）风扇组交流负荷大。按每个风扇额定电流为0.1 A计算，4个就是0.4 A交流电流的消耗。风扇组的作用是机柜内部散热，系统一启动就一直工作，直到系统断电，而且风扇的抗噪、抗干扰能力也很强，没有必要放在DC-AC之后，只会增加电源转换模块的负担。

2.2电源系统优化

针对电源系统中存在的3方面问题，采用相对应的方法进行优化，包括冲击电流优化、开关电源优化和风扇组优化。

1）冲击电流优化。电源系统启动时冲击电流较大的原因是其内部的多个芯片器件需同时加电，以及开关电源的启动电容需充电等因素共同造成的［10-15］。在使用市电时，由于市电本身的输出电容大，且输出最大电流的能力也很大，所以启动冲击电流（约23 A）对其影响较小；但大功率DC-AC电源转换模块的输出电容较小，一般为几千μF到几十mF，且最大输出电流的能力也是有限的，一般几百瓦功率输出时其最大输出电流约为10～20 A，难以承受高达约23 A的冲击电流的多次冲击（实际稳定工作电流只为0.9 A），所以减少输出电流是解决问题的关键。减小对大功率DC-AC电源转换模块冲击电流的途径有2种：一是从产生源方面着手，减小后级冲击电流的产生，改变其供电方式和上电顺序，以减少其冲击电流；二是从传输途径方面着手，在大功率DC-AC电源转换模块与后级之间进行隔离或缓冲，如加入UPS稳压电源或者并联一定容量的电容。

传输途径方面在大功率DC-AC电源转换模块的220 V交流输出端并联一个耐压400 V、输出电流14.3 A的工频交流电容。增加了电源的瞬间输出能力，减少了工控机开机时对前级电源的冲击，起到能量存储、开机缓冲和改善内部电网质量的作用。

2）开关电源优化。工控机原来采用的是普通开关电源，开机时的冲击电流较大且能源转换率较低，可以更换为更为绿色节能的ATX开关电源［16-17］。若选用ATX开关电源，工控机的开、关机控制方式将得到改变，从而减少220 V交流电源线在机内的环绕以及与人体发生接触的可能性。同时，工控机的启动也由原来的硬启动改为软启动（也称慢启动），起到了保护大功率DC-AC转换模块和电源变换器的作用。其原理为，在开关电源内部，当开关电源的控制芯片上电时，反馈为零（或者小于期望值，例如在一个不隔离的反激电路中），变换器的占空比达到最大值。为了给输出电容充电，变换器会从输入抽取很大的电流，这个大电流流过功率器件可能会导致器件损坏，所以应该将变换器的最大占空比限制在一个阈值内，这个阈值需要随着时间的增加而线性增大（可以通过对电容的充电过程进行控制。当电容充满的时候，占空比也就达到了它调节输出电压所需要的稳定值）［18-20］，因而采用ATX电源的软启动就可以有效地保护本级开关电源的变换器和前级输入电源即大功率DC-AC电源转换模块。

3）风扇组优化。通过对电源系统分析可知，为减少逆变电源的工作电流，将原来的220 V交流风扇组更换为27 V直流风扇组，在输入直流未进入DC-AC电源转换模块前，直接由输入直流电源供电。这既减轻了电源转换模块电源输出的负担，又保证了机柜内降温功能的实现。

3　电源系统优化改进后的效果

通过对电源系统的分析与优化，对电源系统进行了改进，改进后电源系统的组成框图如图4所示。

图4　改进后电源系统的组成框图Fig.4 Structure of the optimized power system

工控机采用ATX开关电源后，220 V交流直接从后面板的电源插座输入到开关电源内。连接方式由原来的交流电源2进1出变成单一进入工控机箱，减少了对机内部件的电磁干扰。

同时，开机加电控制采用软启动，由能自弹起的“按键开关”控制PS-ON信号与地的触发即可实现，减少了接触220 V交流电的可能，提高了设备用电的安全性。

采用直流风扇组和ATX电源后，对DC-AC电源模块的启动冲击电流也得到了降低，如图5所示，与给普通PC机供电时的启动冲击电流相差无几，约为11 A。所以可以进一步降低前级DC-AC电源转换模块的输出功率和最大输出电流，降低了系统成本，增加了模块的安全使用寿命。

图5　优化后启动时冲击电流测量Fig.5 Measurement of the starting impact current after optimization

4　结语

经过优化后的电源系统，总体能量消耗进一步降低，启动时对大功率DC-AC电源转换模块的冲击电流明显减少，使系统的可靠性能进一步得到加强。同时，工控机的电源开关采用接触开关后，由低压控制高压电源，使高压交流电源只流向电源模块，减少了与外部接触的机会，提高了操作的安全性。实际应用表明，已经达到了优化的目的，同时对其他多电源系统中的电源设计具有一定的借鉴作用。

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Optimized Design of Power Supply System of a Certain Training Command Console

TANG Xiaobei
（Naval Training Equipment Institute，Beijing 102308，China）

The power supply system is the basic unit of a certain training command console to provide energy support. Based on the analysis of the structure and function of the power supply system，the 3 existing problems of power system were analyzed such as starting impact current was too large，power switch existed potential danger and AC load consumption of fan group was not reasonable.Then some optimization method was put forward，such as using soft start power supply to reduce the startup surge current，using low voltage control high voltage to improve safety，and substituting DC fan for AC fan to reduce AC load consumption.The application results showed that the reliability and security of the power supply system was obviously improved with such optimization.

power supply system；impact current；switching power supply

TJ765.4

A

1673-1522（2016）04-0480-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.04.013

2016-04-08；

2016-05-31

国家部委科技基金资助项目（ZB200744）

唐小贝（1975-），男，工程师，硕士。