C919试飞测试设备供电系统多重保护技术

薛建良，葛红娟，徐于松，张 璐

（南京航空航天大学民航学院，南京 211106）

C919试飞测试设备供电系统[1]是指通过抽引飞机本体115 V的交流电转换成28 V直流电，并以航空蓄电池组为备用电源，经控制保护切换电路，为各类试飞测试设备进行供电管理的电气系统。测试供电系统的工作状态将直接影响试飞测试设备的正常工作和飞机的飞行安全，因此，监测和保护该供电系统，对于机载系统设备的安全性尤为重要。

传统的机载电源系统保护方案[2-4]主要包括过欠压保护和过流保护，保护形式单一且器件较多。近几年的研究多集中在提高器件集成度、优化电路设计等方面，如利用LTC4364浪涌抑制器进行限压限流[5]、利用单片机C8051F120实现智能监测和控制[6]等。由于该系统存在AC/DC变换单元，经整流滤波后输出的直流电压中含有一定的交流分量，为确保交流分量有效值在技术指标的允许范围内，需要对输出电路的纹波电压进行监测。此外，由于供电系统每通道的输出功率为8.4 kW（300 A），大功率密度带来的高温问题可能损坏设备内部昂贵的器件或芯片，因此必须对系统进行温度监测保护。

针对现有保护方案无法满足该供电系统特定保护需求的情况，详细设计了C919测试设备供电系统的多重保护方案。在过欠压、过流保护的基础上，研究了系统过温保护和输出电压纹波保护；同时，考虑到过温保护是对于热量累积的定量监测，而监测系统主要散热部件冷却风扇的转速可间接反映系统温度的变化，并针对冷却风扇进行了失速保护设计，以进一步提高本供电系统的任务可靠性。

1 多重保护方案

根据供电要求不同，系统测试设备分为重要设备（Ⅰ级）、一般设备（Ⅱ级）和专项设备三大类，因此供电系统分为三通道供电。以通道1为例（其余通道类似），其多重保护方案设计如图1所示，其中，BR1为启动开关，C1是接触器，TRU1是变压整流器，BAT1为蓄电池（作为应急电源）。

图1 测试供电系统多重保护方案Fig.1 Multi-protection scheme for power supply testing system

1）输入过欠压保护 通道1引自飞机厨房的交流电源，利用霍尔电压传感器检测抽引口电压，进行有效值计算。按照技术要求指标，即输入频率400 Hz、输入电压的允许范围108～118 V，进行保护电路参数设计。异常时，保护电路输出控制信号，将供电系统与机上系统隔离。

2）输出过欠压和过流保护 根据设计指标要求，即通道1的输出电压范围22～34V，输出额定电流300A，过载能力500 A（5 s）；设计了基于LM193的电压双限比较器电路和基于LF305-S霍尔电流传感器的过流保护电路。

3）过温保护 采用桂林航天电器的激光熔封型接触感应式密封温度继电器JUC-1M（常闭型）完成温度保护功能，该继电器安装在TRU整流桥散热器侧面。根据技术指标要求，过温保护点设置在125℃。

4）输出电压纹波保护 根据设计指标要求，纹波电压应小于0.7 V，方案采用无限增益多路负反馈二阶高通滤波器滤除直流分量，再结合AD637真有效值/直流转换芯片，计算输出纹波的有效值并判断是否在指标允许范围内。

5）冷却风扇失速保护 方案采用AMETEK高速强冷风机，转速可达到23 600 r/min。为避免高速风扇失速导致的过热，基于CD40103芯片设计了风扇的失速保护电路，限定风扇正常工作的最低转速为3 000 r/min。

2 纹波保护设计

纹波检测的方式通常有两种：纹波峰-峰值测量和有效值测量。纹波峰-峰值的测量可通过绝对值电路实现，因其电路结构较为复杂，且易将正常工作时负载突变产生的电压尖峰误判为通道输出故障，因此，采用有效值测量方法，电路详细设计如图2所示。

图2 纹波保护电路Fig.2 Ripple protection circuit

通道1的输出信号首先通过TL082构成的高通滤波电路滤除直流信号，再接入AD637芯片构成的真有效值计算电路进行运算，最后利用LM193构成的比较电路判断纹波电压有效值是否小于0.7 V。

2.1 高通滤波电路

相比无源滤波器，无限增益多路负反馈二阶有源高通滤波器负载效应不明显，不存在谐波放大和共振的影响，并能够抵消系统内各次谐波，适用于信号处理要求高的场合。图2中，高通滤波电路的传输函数为

电路中各电阻电容值的选择取决于初始电容值C，通常依据经验值确定。若截止频率fc<100 Hz，C一般取 0.1～10 μF；若 fc取 100～1 000 Hz，C 一般取 0.01～0.1 μF。

为滤除直流分量，取 fc=100 Hz，｜Auo｜=1，则初始电容C=0.1 μF。由高通滤波器设计用表[7]得，图2电路中电容C1=C3=C=0.1 μF。电阻换标系数为

查表选择相应电阻并进行换标处理，得实际电路中电阻R1=7.5 kΩ，R2=51 kΩ。结合截止角频率公式计算得 C2=0.066 μF。

2.2 AD637真有效值计算电路

测量纹波电压有效值的芯片有AD637、AD736、LTC1966、LTC1967等，而AD637芯片具有频带宽、准确度高等特点[8]，可用于真有效值测量电路设计。AD637芯片内部的功能电路主要包含4个部分：缓冲器、偏置电路、有源整流器(绝对值电路)和平方/除法器，如图3所示。

图3 AD637管脚连接与内部框图Fig.3 AD637 tube array and internal block diagram

芯片13脚输入信号UIN为通道1经高通滤波后的电压，UIN进入内部有源整流器转化为单极性电流I1，并作为平方/除法器电路的一个驱动输入端，平方/除法器完成以下运算，即

输出电流I4驱动A4，并与外部的平均电容CAV构成低通滤波器，其输出电流I3进入A3，最终返回至平方/除法器完成隐式真有效值的计算，即

式中：I1rms表示I1的有效值。因此，UOUT=UINrms，芯片9脚将输出纹波的真有效值电压，并进入比较器电路进行纹波电压阈值判断。纹波指标上限为0.7 V，因此比较电路中的分压电阻可取R3=2 kΩ，R4=43 kΩ。

3 冷却风扇失速保护设计

系统散热采用的强冷风机配置有风扇性能传感器（FPS，fan performance sensor），FPS 能够输出包含风扇转速的特定脉冲信号。脉冲周期T与风扇的每分钟转速rpm满足如下关系通

式（5）表明，FPS信号周期越大，风扇转速越小。因此可通过设计减计数电路以限定FPS信号的最大周期（即风扇的最低工作转速）为一定值。如果在FPS信号周期内，所设置的减计数器能够减到0，则说明FPS的输出脉冲周期过大，风扇已经发生失速。

方案选择的减计数器为可预置同步/异步二进制减法计数芯片CD40103，其14管脚C0/ZD为过零检测端，无需再进行零检测电路设计。风扇失速保护电路设计如图4所示。

图4 风扇失速保护电路Fig.4 Cooling fan stall protection circuit

CD40103芯片的减计数初值由J0～J7管脚的高低电平控制，计数范围为0～255，当预设初值减到0时，端将输出一个负脉冲信号。CD40103的计数模式有同步计数和异步计数两种，分别通过同步预置使能端与异步预置使能端置高电平实现。

结合图4电路，风扇FPS信号经过双施密特触发器整形后进入CD40103减计数器的异步使能端，在FPS信号的一个周期内：如果和端置高电平，且FPS信号也为高电平时，减计数器将在下一个时钟的上升沿，从预设值进行减计数；如果SPE和端置高电平，而FPS信号为低电平时，计数器将从最大值（255）进行减操作。

在FPS信号的周期内，如果减数器能减到0，即风扇发生失速端将输出一个负脉冲，经CD4013芯片（D触发器）构成的二分频电路，Q端将输出占空比为50%、峰-峰值为15 V的方波信号UQ。UQ通过电容C3和电阻R9稳压至7.5 V，经过双门限比较器的判断（允许通过范围为3～12 V），最终UO将输出高电平的风扇失速告警信号。如果减数器在FPS信号周期内没有减到0，即风扇没有发生失速，UQ将变成持续的低电平或高电平信号，经过双门限比较器的判断，最终UO将输出持续的低电平信号。

风扇失速的设计指标为3 000 r/min，对应风扇输出FPS信号的周期为10 ms。取频率为3.686 4 MHz的晶振X1，经过CD4060分频器Q7端将输出28.8 kHz的方波作为CD40103减数器的时钟信号。经过上述分析，从预设值执行减计数的操作只在FPS信号正半周期进行，所以减计数器的预设初值为

即芯片J7～J0输入端对应电平为10 010 000。

4 仿真与实验分析

4.1 纹波保护电路

纹波保护电路Proteus仿真波形如图5所示。图5中UI为通道1输出的直流电压信号，UO为纹波告警信号。在0～30 ms内，模拟通道1输出电压信号为幅度0.9 V、偏置28 V、频率200 Hz的正弦波，此时纹波有效值为0.636 V（小于0.7 V的纹波指标要求），因此UO输出低电平信号，表示风扇没有发生失速；在30 ms后，切换通道1输出电压信号为幅度1 V、偏置28 V、频率300 Hz的正弦波，其有效值为0.707 V（大于指标要求），因此UO输出高电平的失速告警信号。因电路存在运放且滤波计算电路耗时的情况，所以仿真波形有延迟输出，其波形与理论分析基本一致。

图5 纹波保护电路仿真波形Fig.5 Simulation waveform of ripple protection circuit

实际运行中，输入三相电压不对称、变压整流器桥臂故障、滤波电容损坏都会产生一定的纹波。为达到纹波电压可控，实验采取调节输入三相交流电压不对称的方式，如正常情况下输入a、b、c三相交流电压均为115 V，通过调节输入端三相可控交流源a相的电压值，使输入的a、b、c三相交流电压不对称，以控制系统输出电压纹波有效值在指标0.7 V附近，直至保护电路输出电压发生跳变。实验波形如图6所示，其中，UI为系统输出纹波电压，UO为纹波保护电路的输出电压。

图6 纹波保护电路实验波形Fig.6 Experimental waveform of ripple protection circuit

在0～38 ms内，输入a、b、c三相交流电压分别为110 V、115 V、115 V，从示波器中读出纹波电压有效值为0.66 V；在38 ms后，调节a、b、c三相输入电压为106 V、115 V、115 V，此时纹波电压有效值为0.71 V。从图6可看出，经过一段延时之后，保护电路的输出波形UO由低电平跳变为高电平，与仿真波形一致，验证设计的合理性与准确性。

4.2 冷却风扇失速保护电路

冷却风扇失速保护电路Proteus仿真波形，如图7所示，其中，UFPS为FPS信号波形，UZD为CD40103芯片过零检测端反向后的波形，UO为风扇失速告警信号输出波形。

从图7可看出：在0～35 ms内，模拟FPS信号为105 Hz的方波，对应风扇转速为3 150 r/min，UZD为持续的低电平，表明减计数芯片没有减到0，风扇没有发生失速，因此UO输出正常的低电平信号；在35 ms后，利用开关切换FPS信号为95 Hz的方波，对应风扇转速为2 850 r/min，此时UZD波形出现正脉冲，表明CD40103芯片的过零监测端出现负脉冲，即减计数芯片已经减到0，因此UO输出风扇失速告警的高电平信号。仿真结果与理论分析一致。

图7 风扇失速保护电路仿真波形Fig.7 Simulation wave form of fan stall protection circuit

实际运行中，考虑到正常情况下冷却风扇转速的改变只能通过调节风扇的供电电压实现，因此，从风扇额定工作电压28 V开始，不断降低供电电压直至22 V左右，风扇保护电路的输出波形出现跳变，实验波形如图8所示。

图8 风扇失速保护电路实验波形Fig.8 Experimental waveform of fan stall protection circuit

图8中风扇FPS信号的周期越来越大，表明风扇转速越来越小。在t=30 ms处，FPS信号的周期约为10 ms，对应风扇转速3 000 r/min，UZD开始输出正脉冲，经过一段延时后，风扇保护电路的输出电压由正常的低电平跳变为失速告警情况下的高电平，与仿真一致，验证了设计的准确性。

5 结语

现有的机载电源保护技术中，过欠压与过流保护设计居多且较为成熟，关于纹波监测保护和冷却风扇失速保护相关的技术较少。在此基础上，C919试飞测试设备的供电系统引入了包含系统过欠压、过流、过温、纹波、风扇失速在内的多重保护技术方案，详细设计了有源高通滤波电路与AD637相结合的纹波电压有效值计算电路，并提出了一种基于CD40103减计数芯片的风扇失速保护电路。通过仿真分析和实验验证，多重保护设计符合指标要求且运行稳定，在一定程度上提高了系统的可靠性。纹波保护与风扇失速保护设计，对于一般的供电系统也具有一定的参考意义。