分布式供电系统的保护策略和方法

刘国美，范新明，邓道杰，李欢欢

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.中兴通信股份有限公司，陕西 西安 710164)

0 引言

在新一代综合化机载产品中，整机需要根据外部的环境或产品自身工作状态来实现功能模块的智能供电管控[1]，因而在其电源中均设置带有多路输出的电源智能管理单元，可按照上级需求进行智能上下电，向上级汇报各支路的电压电流信息，并在必要时接入或切除某些模块，同时还要实现过流保护。最初的产品中无论是智能管控还是保护均依靠软件来实现，这导致保护响应速度很慢，在发生短路等瞬时大电流故障时不能及时响应导致保护失败，故障蔓延，给产品的使用带来隐患。基于以上的问题，需要对现有电路进行分析探讨与改进，制定合理的保护策略，以提高产品的可靠性。

1 保护策略梳理

1.1 智能电源说明

智能电源采用分布式的供电架构，电源内部设置有功率转换单元，将机上电源115VAC或+28VDC供电转换为产品内部的低压直流母线电压，一般是+28VDC或+12VDC。在直流母线电压后级则设置有多路智能开关电路，大多都在5路以上，依据系统内部负载模块数量而定。当电源内部核心控制器按其配电策略或上级指令发出供配电信号后，多路智能开关电路就可以实现各支路的独立供电输出，即负载模块的智能供配电[2]，而且每条支路均需支持电压电流模拟量上报和故障状态上报，并具备独立的输入过欠压、过流和短路保护，一条支路的故障不应影响其他支路的正常工作。

1.2 保护策略

在以往的智能电源设计中，一般在每一路开关支路设置有MAX4080SASA一类的电流采集电路，将电流信号通过AD送入DSP，通过软件来实现电流采集和过流保护，但并未对输出电压进行采集。在测试性试验中，需要模拟测试支路无输出的情况，由于没有对电压进行采集，只能通过电流值来判断支路是否有输出。实际在负载电流很小的情况下，由于电流采集过程中也存在误差，若电流门槛值设置不合适，可能存在负载电流极小，该支路正常输出却误判为无输出的情况。并且，软件是周期BIT进行轮询，在输出路数较多或周期BIT任务较多的时候，周期BIT时间较长，一般在几十ms甚至更长的时间，若负载发生瞬时大电流的短路故障，有可能存在来不及保护的情况，容易导致智能开关电路过流烧毁，甚至将故障蔓延到其他电路，造成产品进一步损坏。

为了解决支路过流无法快速关断的问题，可使用DSP+FPGA的方式，在MAX4080SASA的输出端设置比较电路，并对输出电压进行采集。若电流指标超标，触发FPGA中的硬件逻辑，迅速发出关断指令，控制高端驱动器切断供电回路，同时由DSP向上位机发送故障信息。这样做的优点是利用FPGA的硬件响应，来实现短路或是瞬时大电流的保护，响应速度可以保证到10 μs以内。逻辑控制型过流保护原理框图见图1。

图1 逻辑控制型过流保护电路原理框图

智能开关支路的过流保护策略细分如下：逻辑应采取分级处理的保护策略，对于负载瞬时工作轻微超标的电流，识别为正常的过流故障，这种状态下智能开关电路远未到可能损坏的门槛，一般为后端负载模块的短时工作特性所致，此时应设置相对较长的动作响应时间(例如10 ms以内)，若动作响应时间以内故障消失则开关不动作，若过流故障持续时间超过10 ms则识别为后端负载工作状态异常，应切除支路供电；而对于瞬时大电流(2～5倍于正常过流点)的短路故障，应识别为严重的短路故障，这种状态的持续极有可能是后端发生了不可恢复的短路失效，并且极有可能导致智能开关电路的损坏，此时应设置极短的动作响应时间(10μs以内)，防止故障进一步蔓延。另外，无论是因为过流还是短路触发的保护状态，都不应实时恢复，过流保护动作后过流故障就会消失，此时恢复输出会使得故障持续发生。过流保护策略逻辑框图见图2。

图2 过流保护策略逻辑框图

为解决无法精确判断支路无输出的原因问题，需在各支路增加电压监控，无输出逻辑判断策略细分如下：对支路电流值进行采集，若支路电流小于门槛值，且该支路电压也小于门槛值，则判断为该支路无输出，并由DSP向上位机上报故障；若该支路电流值小于门槛值，但电压正常，则判定为该路正常。使用该策略结合过流保护策略，上位机可清晰知道该支路故障的具体原因。无输出逻辑判断策略框图如图3所示。

图3 无输出逻辑判断策略

2 结束语

本文中提出的分布式供电系统的智能电源保护策略，可对各分布供电通道的电压电流进行实时的监测，并且能准确地进行判断，对后级机载设备做出精准的保护，同时可防止故障蔓延，保证其他供电通道机载设备的正常工作，达到故障隔离的目的，极大地提高了系统机载设备的安全性，稳定性，可靠性。