小型化程控电源通用化设计研究

花伟峰 张婷婷 陈名胜

(上海航天电子技术研究所,上海 201109)

0 引言

某系统地面电源主要由28V直流电源组成。由于地面电源是供电系统重要组成部分,主要用于地面测试单机设备供电,所以其工作状态直接关系到系统整个试验流程中的测试可靠性。本文对系统地面电源向小型化、通用化、智能化方向发展进行设计研究,同时还需要兼顾电源系统整体供电冗余度设计,保证在整个测试流程中电源供电的可靠,并实现不间断供电的要求。

1 设计思路

直流电源原理框图如图1所示:电源由输入滤波/控制保护单元、AC/DC模块(1个或多个)、输出滤波/控制保护单元、主控板和触摸屏组成。输入滤波/控制保护单元可以改善电源输入的电磁兼容性,并具备可控通/断和异常保护的功能。AC/DC模块(一个或多个)是将输入的交流电转换为负载所需的直流电源。其中20A电源采用1个电源模块,100A电源采用2个电源模块并联,300A电源采用6个电源模块并联。输出滤波/控制保护单元可以改善电源输出的电磁兼容性,并具备可控通/断和异常保护的功能。主控板的作用是将来自上位机的控制命令/来自触摸屏的控制命令转化为模块和两个控制单元可以识别的信号,从而实现遥控/本控的功能。触摸屏是本地控制的输入界面,同时也是电源各种参数及状态显示的窗口。

图1 直流电源组成原理框图Fig.1 Principle block diagram of DC power supply

图2 直流电源系统原理图Fig.2 System principle diagram of DC power supply

2 工程实施过程

2.1 具体设计方案

电源主要由新型1U电源模块、电源监控电路、滤波电路、交流、直流配电和相应的电子线路以及接口组成。直流电源原理框图见图2。

图3 电源控制电路原理图Fig.3 Schematic diagram of power control circuit

图4 远程补偿切换原理图Fig.4 Schematic diagram of remote compensation switching

系统的输入为市电,电源输入为单相电源, 市电输入后,接通总开关,电源模块启动工作,输出直流20～45V。

电源主副机可并机运行,当主机故障时自动切换至副机供电,实现不间断供电。

电源实现三路输出,分别为模拟电缆输出、地面供电、电源供电输出。可在手动/遥控状态下实现通/断操作;电源供电为前级输出,地面供电、模拟电缆供电为后级输出。

单片机控制电路主要由输出控制电路、反馈补偿切换电路、显示电路、保护电路、和通讯电路组成。其中输出控制电路主要实现地面电源供电、模拟电缆供电等输出本控及遥控功能以及电源各项参数设定(电压、通讯参数及功能设定);反馈补偿电路实现地面电源反馈和模拟电缆反馈切换,保证在接通相应负载时,反馈点能引入电源,实现线压降补偿。显示电路主要将采集到的模拟量信号进行处理,并在屏幕上显示,实现本地电源运行状态监控。保护电路实现电源保护参数设定,当实测值超过设定值时,立即切换电源输出,保护供电负载。

2.2 控制电路设计

电源控制电路以嵌入式控制器32位ARM高性能单片机为核心,连接高分辨率触摸屏组成触摸式微型单板控制器,其上运行监控处理软件,电源的电压、电流等传感器模拟量通过A/D转换为数据,通过数据总线传输电压、电流等参数。高性能单片机对这些数据进行处理解析,并将电源状态信息通过显示接口显示在触摸屏上。用户通过触摸屏发送控制指令到数据处理分类模块,数据处理分类模块解析后传到电源控制模块再通过GPIO接口控制继电器组实现电源开关的通断。远端上位机可通过网络向嵌入式控制器发送请求实现电源的监控,数据处理分类模块接收到请求指令后,向相应模块读取信息或发送控制命令从而实现远端监控。用户可通过参数设置模块设置参数[1]。电路原理如图3所示。

2.3 双冗余设计

在地面电源系统的设计中,采用了双冗余设计。单台电源设备中的整流模块采用了N+1冗余并联运行方式,模块自动均流,均分负载,一个模块故障不影响设备的输出。同时,电源输出端均加装隔离二级管,可实现双机并联输出,当主机出现故障时,自动切换至副机输出,大大提高了系统的可靠性。

图5 电源保护原理图Fig.5 Schematic diagram of power protection

电源采用二极管隔离方式并联,选定一台为主机,另一台为副机,主机电压设定比副机电压高0.7V,这样能保证主、副机电源模块同时输出,且因主机电压高于副机而将副机的输出端隔离二极管截止,只有主机输出端二极管V1对外输出。当主机故障切断主回路输出后,副机隔离二极管导通输出。

2.4 电压降自动补偿及切换

直流电源可以实现长线远距离供电补偿,补偿长线引起的线压降[2],确保电源输出电压的稳定,补偿点分2路,可根据需要进行切换。原理如图4。

2.5 保护电路

如图5,电源的保护功能主要通过单片机控制板来实现。在LED显示屏主界面中点触“设置”按钮,再点击相应参数的数字框,即可方便的设置保护参数值。单片机将采样值与设置值进行比较,通过IO接口驱动继电器进行动作。

2.6 软件设计

电源软件主要涉及内部单片机软件,主要实现电源控制、通讯功能,同时检查电压和电流状态,对异常情况进行保护[3]。流程图如图6所示。

图6 软件流程示意图Fig.6 Software flow diagram

3 结语

本文对某系统地面电源通用化、小型化和智能化方案设计进行深入的研究,该方案已成熟应用于系统上,实现了通用化使用要求,同时新电源体积减少至原电源的三分之一,实现了小型化设计要求。此外电源所有控制指令和参数设定均可通过上位机操作,实现100%远程控制,满足电源智能化设计要求。后续对地面电源将进一步迭代设计,满足更多系统使用需求。