机载计算机供电时序的设计与实现

高 栋，韩 敏，冯 非

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

机载计算机产品电源中，除常规的+5 V、±15 V外还包括+3.3 V、+1.8 V等低电压二次电源输出。计算机电路正常工作需要其电源电压的稳定提供，上电过程中，若电源模块因为自身输入电压尚未完全稳定，其输出电压存在波动振荡的问题，这极易导致用电芯片复位、死机甚至损坏。另外，芯片自身供电稳定后就开始工作，由于供电电压的不同，各个芯片的启动时间点也不尽相同，实际工作中就会出现电路启动先后有别的问题。不同于简单的传感器、接收机，计算机产品要求多个功能芯片电路联合工作，尤其对于DSP、FPGA等大规模集成电路来说，若因多路供电无法按次序启动，整个电路就可能进入错误的工作状态，极易出现工作异常、加载失败乃至死机瘫痪的情况[1]。

鉴于以上机载计算机供电路数多、供电电压无序混乱等原因，对其使用的机载二次电源就提出了新的要求，需要对供电进行时序的控制与管理，从供电源头上解决无序供电工作的问题。本文首先分别梳理了一次电源与二次电源的供电时序和二次电源间的供电时序管理策略，设计了相对应的控制电路，并进行了试验验证。

1 电路原理

1.1 机载二次电源工作原理

机载二次电源在机载计算机中承担着重要的作用，它需要克服各种恶劣的供电环境，保证机载计算机的正常稳定工作，对于多路输出二次电源来说还需要考虑供电时序的问题。

机载二次电源的输入电压来自机上的115VAC或是+28VDC，首先通过输入滤波电路，辅助电源电路负责供电给电源模块自身的芯片及控制电路，供电适应性的功能则由耐尖峰浪涌电路、耐过压浪涌电路、耐欠压浪涌电路来完成，DC/DC转换电路及输出滤波电路实现二次电源的稳定输出。对于多路输出二次电源来说，还需增加供电时序控制电路。机载二次电源原理框图如图1所示。

图1 机载二次电源原理框图

1.2 时序控制电路工作原理

时序控制电路的基本功能就是按要求对二次电源输出的时序进行控制，尤其是在供电启动和结束的瞬间能够满足机载计算机的供电需求，保障计算机正常工作。供电时序包括两个方面的内容：

1) 一次电源与二次电源的供电时序(以下简称“一二次电源供电时序”)；

2) 二次电源间的供电时序。

1.2.1 一二次电源供电时序

一二次电源供电时序，是指电源模块上电或下电后，电源模块内部控制电路与二次电源输出的次序，另外一方面就是飞机一次电源上电后，二次电源输出的启动时间点。

机载计算机一次电源供电环境比较恶劣，因为飞机的汇流条上同时挂着多个用电设备，发电机的工作状态甚至其他用电设备的工作状态都会影响到一次电源的供电质量，如果采用粗放无控制的二次电源转换技术，极有可能出现二次电源输出后又掉电的情况，这会导致机载计算机出现加载失败、通讯故障、复位乃至死机的现象。

根据机载二次电源原理框图，可以得出机载二次电源合理上下电时序(如图2，图3所示)。

图2 机载二次电源合理上电时序

1.2.2 二次电源间的供电时序

二次电源间的供电时序，就是在多路输出二次电源中，按照系统要求对不同电源输出进行控制，实现分时上电。以+5 V与±15 V供电来说，按照机载计算机供电特点，±15 V主要供给一些运算放大器、A/D或D/A等使用，其功能就是对电信号进行处理，然后发送给使用+5 V系列供电的核心电路(如FPGA、CPU等)处理，所以+5 V的上电时间序应该晚于±15 V，同样掉电时+5 V的掉电停止时间也应该早于±15 V。对于采用+1.1 V甚至+0.9 V等核电压供电的处理器来说，其供电时序同样有明确的要求，必须先给输出+1.1 V、+0.9 V等核电压，然后是+3.3 V等电压，否则处理器就无法正常工作。

图3 机载二次电源合理下电时序

2 时序控制电路的设计

2.1 一二次电源供电时序电路

根据合理上下电时序的要求，就得出该时序电路的控制流程，电源模块上电后，首先是辅助电源开始工作，然后尖峰、浪涌抑制电路，监控28 V供电稳定后(28 VB大于18 V)使能DC/DC转换电路，从而得到稳定的二次电源输出。一二次电源供电时序电路如图4所示。

图4 一二次电源供电时序电路框图

2.1.1 电源上电时序分析

在该时序电路中，28 VDC供电首先接入辅助电源电路，该电路工作电压很低(8 V以下)，辅助电源产生电源内部电源信号(V.ST)，供给钳位控制电路工作，开通浪涌钳位管。在此之前浪涌钳位管的初始状态为关闭，确保上电初态瞬变电压不会接入DC/DC转换电路。

在浪涌钳位管开通后，直流供电28 VA通过导向二极管接入DC/DC转换电路(28 VB)，此时28 VB作为采样信号与基准电平进行比较，驱动使能控制电路开始工作，最终在供电稳定的状态下使能DC/DC转换电路，保证二次电源的稳定输出与工作。

实际的一二次电源供电时序电路图如图5所示，该电路的主要目的是为了当电源稳定在17 V以上再进行DC/DC转换，但是这样会遇到一个问题，当电源达到17 V之后便立刻开始DC/DC转换，此时启动冲击电流在供电线路上会产生压降(可达1～2 V)，导致控制电路因欠压发生UVLO而关闭输出，关闭后供电回路线压降变小，电源再次开启DC/DC转换，就会在供电回路产生振荡，反而影响电源工作，所以需要在使能控制电路与DC/DC转换电路之间增加迟滞电路与延迟电路。迟滞电路可以有效地杜绝因为线压降的变化而导致的反复打嗝，而延迟电路的作用则是在时间层面进行防抖处理，使能控制电路发出使能信号(V.DL)时，该信号首先通过向电容C2充电进行延迟，等到使能信号有效时(大于2.0 V)，供电电源已经上升到正常状态(18～32 V)，电源输出就不会出现振荡的现象。如果遇到电源短时间连续上下电，该延迟电路通过场效应管N2来实现延迟电容的“慢充快放”，电源依然能够正常有效延迟，这样就实现了图2中 机载二次电源合理上电时序。

2.1.2 电源下电时序分析

供电电源下电时，28 VA电压迅速降低，由于储能电容和导向二极管的反顶作用，28 VB持续供电保证DC/DC转换电路工作，当28 VB电压低于17 V后关闭DC/DC转换电路，此时辅助电源因为有来自28 VB的供电一直工作，直到28VB低于8 V后才停止工作，保证整个掉电过程中DC/DC转换的正常以及各路信号的正常输出，该电路同时也能满足机载二次电源合理下电时序的要求。

2.2 二次电源间供电时序电路

二次电源间供电时序电路图如图6所示，该电路与一二次电源供电时序电路中的使能控制电路类似，只需要改变其采样信号为二次电源输出+15 V即可。在需要对更多路数的输出进行时序控制时，相应地增加控制电路就可以很容易的实现。

图5 一二次电源供电时序电路图

图6 二次电源间供电时序电路图

3 试验验证

按照上述设计，搭建电路进行验证。在一二次供电时序电路中，辅助电源电路V.ST电压为12 V，保护稳压管VE1为7.5 V，基准源为5.0 V，设置V.DL的开启和关断点分别为17.8 V与17.3 V。延迟电容C2选择1 μF的电容，因控制的DC/DC转换电路不同，使能端驱动电流不一致，延迟时间不尽相同，试验选择的DC/DC转换电路使能端输出电流约为200 μA，得到的延迟时间约10 ms。

电路中供电电压低于+17.8 V时，V.DL被拉低，DC/DC不工作；在供电电压达到17.8 V门槛够后，V.DL在延迟电路作用下缓慢上升，10 ms后使能DC/DC，电源模块得到了稳定的输出。下电时，当供电电压低于+17 V后，DC/DC模块被迅速禁止，关闭输出，然后辅助电源继续工作到8 V。在连续上下电过程中，因为储能电容的原因，二次电源输出会持续一段时间。当DC/DC模块前端电压28 VB低于17 V后关闭电源输出，同时延迟电容C2迅速放电清零，下次上电时仍然可以进行正常延迟，从设计上就保证了电源模块在恶劣的供电环境中可靠的工作。

二次电源间供电时序电路设计+5 V延迟于+15 V输出，延迟电容C3选择4.7 μF，得到了47 ms的延迟时间，该时间的设置只需通过调整延

迟电容C3大小即可实现。若+15 V下电，比较器N5再次翻转，场效应管N4立刻对电容C3进行电压清零，确保连续上下电的时序受控。

4 结束语

本文提出的机载计算机供电时序控制策略，可以有效地解决因上下电过程中的抖动振荡而导致的电源输出不稳定，确保后端用电设备的稳定可靠工作。电源模块在增加供电时序控制电路后，无论是上电还是下电，甚至是连续上下电，都可以正常工作，并能保证二次电源输出的稳定性，极大地提高了机载计算机产品的可靠性和稳定性。

[1] 杨东凯，凌桂龙.DSP嵌入式系统设计与开发指南[M].北京：中国电力出版社，2009.