一种用于航空重力供电系统的新型电路连接方式

蒋久明，安战锋，石磊，孟庆奎，金久强，王志博

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；2.自然资源部 航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京 100083)

0 引言

在航空重力供电系统中，电源工作的稳定性至关重要[1]。用单台电源实现大功率，会造成电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的进一步提高带来困难，且一旦单台电源发生故障，将导致整个系统崩溃。采用多个电源模块并联运行，并联系统中每个模块处理较小功率，解决了上述采用单台电源的弊端，提高了整个系统的可靠性。由于各个电源模块的外特性不一样，分担的负载电流也不均衡，承受电流多的模块可靠性大为降低。因此，并联运行的电源模块必须解决负载电流均匀分配和稳定启动的问题[2]。

在重力仪的不间断供电系统中，需要将交流电220 V变换为直流28 V功率800 W。为了减小体积，提高电源的可靠性，一般情况下，采用性能好的整流滤波集成模块和DC-DC电源模块组合实现[3]，本文主要是以美国VICOR公司生产的功率1 000 W的整流滤波模块FARM2T11和2个功率400 W的电源模块V300A28T400B来搭建电路实现这个功能，并提出一种新型的电路连接方式来实现满载稳定启动的方案。

在美国VICOR公司芯片技术手册中，一般推荐使用者默认采用整流滤波模块FARM2T11的EN输出端连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC使能端，来使能控制V300A28T400B工作状态。但是EN同时控制2个电源模块V300A28T400B的PC时，有时输出低电平不能保证PC端一直低于 2.3 V(低电平的最高门限值)，也就不能保证一直有效拉低电源模块V300A28T400B的PC使能端，DC-DC电源模块会尝试启动，使得整流滤波模块在上电阶段出现提前带负载，影响整流滤波模块FARM2T11的正常启动。也就会出现：“开机—输出电压—关机—再开机”一直重复启动的故障，整个电源系统不能正常开机。

本文提出一种新型的电路连接方式可以解决上述问题，采用和EN端反相电位的BOK端和外接三极管来组合控制2个电源模块V300A28T400B的PC使能端，能保证PC的低电平一直低于2.3 V，从而实现电源系统正常的满载启动[4-8]。

1 基本电路原理介绍

在设计航空重力供电系统时，一般我们选用VICOR公司提供的整流滤波模块FARM2T11和两个400 W电源模块V300A28T400B组成完整的28 V/800 W电源系统时，但在实际工作中存在下列问题：根据VICOR公司芯片技术手册中推荐的采用整流滤波模块FARM2T11输出使能端EN来连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC端进行使能和关断模块，在电源模块的均流端PR不做任何连接时，单个电源模块均可以带小于400 W的负载开机；当两个DC-DC电源模块的均流端PR做交流耦合连接时，这种情况下带载开机，不管负载小于400 W，还是在400～800 W之间，由于EN端在驱动PC端时不能保证PC端电压一直低于2.3 V，也就是DC-DC电源模块在整流滤波模块上电阶段不能一直处于关掉待机状态，导致有可能会出现：“开机—输出电压—关机—再开机”这种一直重复启动的故障现象，不能正常开机。本文提出一种使用BOK驱动PC端的新型电路连接方式来解决这个问题。

为更好理解本文中航空重力电源系统的工作原理，下面结合电路原理框图来介绍和分析各部分电路功能。在两个DC-DC电源模块之间是以PR端交流耦合连接为例说明，实际设计中，也可以采用变压器耦合连接。电路原理框图如图1所示。

图1 航空重力供电系统的电路原理框

图中N1为整流滤波模块FARM2T11,虚线框为电源模块使能控制电路，N2、N3为DC-DC电源模块V300A28T400B。

该电路原理框图可以分为滤波整流电路，电源模块使能控制电路，可均流的DC-DC电源变换等3部分电路组成，下面对每个部分电路进行简单介绍。

1.1 滤波整流电路

这部分电路主要把220 V的交流电进行整流滤波后变成311 V左右的直流电压，具体电路中使用VICOR公司的整流滤波模块FARM2T11和外围配置电路组成，外围部分包括J1、S1、N1、R1、C1等，如图2所示。

图2 FARM2T11组成的整流滤波电路

N1指的就是核心元件的整流滤波模块FARM2T11，提供了EMI滤波，自变换量程的整流和开机时浪涌电流的限制。内部包含一个微控制器，连续检测输出电压UA，并据此对外输出EN和BOK信号，以便于控制均流电源模块N2和N3(型号为V300A28T400B)按照一定的时序开关机，对内控制PTC热敏电阻的旁路和整流电路的倍压[9-11]。整流滤波模块FARM2T11的内部原理见图3，FARM2T11电源开启和关闭的时序见图4。

图3 整流滤波模块FARM2T11内部原理框

图4 FARM2T11的上电和掉电时序

当交流输入开关合上后，交流电通过整流滤波模块N1内部的PTC(正温系数)热敏电阻经过整流给储能电容C1充电，PTC热敏电阻限制充电电流，当电容上的电压UA对时间的斜率接近0时，电容上的电压UA充电到最大值；当UA大于200 V，倍压整流不起作用，全桥整流起作用；当UA大于235 V，旁路掉电流限制的热敏电阻，而UA小于235 V, 不会旁路热敏电阻。在旁路掉热敏电阻后150 ms，整流滤波模块N1的EN端输出高电位；在旁路掉热敏电阻后300 ms，整流滤波模块N1的BOK端输出低电位0 V，之前输出高电位16 V。

当交流开关S1关断时，储能电容上的电压通过电阻R1放电。当UA小于210 V时,滤波整流模块N1的BOK端恢复高电位。当UA小于190 V时，滤波整流模块N1的EN端输出低电位，同时整流滤波模块完全停止工作，此时如果交流输入恢复供电，整流滤波模块将重复整个上电工作时序。如果输入出现瞬时中断，且在总线UA在下降到关机阈值190 V之前电源重新恢复输入供电，则整流滤波模块不会重复上电时序，即电源转换系统“穿越”瞬时中断。

1.2 电源模块使能端控制电路

这部分内容是本文讨论的重点，也是航空重力供电系统的重要部分，直接影响到供电系统工作的稳定性，以图5为例进行讨论。

图5 VICOR公司芯片技术手册推荐的整流滤波模块EN端驱动DC-DC模块的使能端PC

主要由R4、D2和D3组成。当带载开机时(开关S1闭合)，交流电通过整流滤波模块N1内部的PTC(正温系数)热敏电阻经过整流给储能电容C1充电。当储能电容上的电压UA小于235 V，整流滤波模块N1的EN端输出低电位，通过限流电阻R4，D2和D3将N2和N3的PC端拉为低电位(小于 2.3 V)，禁止电源模块N2和N3输出电压，这时负载RL上没有电压。

当储能电容上的电压UA大于235 V，整流滤波模块内部的控制电路旁路掉给储能电容充电的PTC(正温系数)电流限制热敏电阻，这会使给储能电容充电的整流滤波模块回路中的等效电阻大大减小，可以更快速地给储能电容C1充电，电压UA上升。在热敏电阻旁路后150 ms时刻，整流滤波模块N1的EN端输出高电位16 V，二极管D2和D3截止，电源模块N2和N3的PC端不受外电路控制，由内部辅助电源上拉到5.75 V，延时4 ms后电源模块N2和N3被使能，输出电压28 V经过D1A和D1B给负载电阻RL供电。由于N2和N3的PR端的高频开关脉冲通过交流耦合到均流母线上，N2和N3均匀分配负载电流。此时，N2和N3被使能带载，相当于整流滤波模块N1的输出端带载，储能电容的电压UA会因空载到带载而降低，但只要UA大于190 V，电源就不会重启。但是这种电路存在缺点：由于整流滤波模块内部的结构，EN输出低电平时，并不能有效地保证PC端低电平一直小于2.3 V，即不能保证在整流滤波模块启动过程中，一直有效关掉封锁N2和N3使能端，N2和N3会尝试启动输出电压，使得整流滤波模块提前带载，在上电阶段很难有效快速升压到235 V，影响整个电源系统的启动。PC端的具体电平分析在下一节中具体介绍。

1.3 可均流DC-DC变换电路

DC-DC转换部分电路由F1、F2、N2、N3、D1A、D1B、C2、C3和RL组成，图5所示。当N2和N3的使能端PC电压高于2.3 V时，使能DC-DC电源模块N2和N3，将整流滤波后的电压UA转换为直流28 V输出，供给负载RL。保险丝F1和F2提供电源模块N2和N3的输入短路容错，二极管D1A和D1B提供电源模块N2和N3的输出短路容错。C2和C3是均流母线上的交流耦合电容，连接在电源模块的PR端和均流母线UC上，作为主模块的PR端发出高频开关脉冲(自动选主)，从模块的PR端接收此脉冲，均流母线上UC为同步脉冲，模块使用这个脉冲作为增强功率和容错的均流信号，同步两个400 W的电源模块均匀分配负载电流(满载800 W),即提高了功率，又不增加功率器件的电应力，提高了整个系统的可靠性[12-13]，当然这里的均流技术不是本文讨论的重点，只是为了读者更好地理解整个电路，才进行简单的介绍。

2 常规使能控制的电路连接方式

在1.2小节已经介绍了VICOR公司芯片手册中推荐的选用整流滤波模块FARM2T11的EN输出端连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC使能端，组成常规的使能控制电路连接方式。

如图6所示，在用FARM2T11的EN端驱动PC端的情况下，在芯片内部EN通过150 K电阻和N通道MOSFET管上拉到15 V。在开机上电阶段EN输出低电平，通过R4和二极管连接DC-DC的PC端来关断DC-DC电源模块，使得电源系统上电阶段，DC-DC芯片不工作。在经过一段时间后，当满足图4中的3.1点条件，输出总线电压大于235 V，且UA增长曲线斜率趋向于0时，启动旁路PTC热敏电阻，150 mms后，EN端输出高电平15 V，这时与DC-DC的PC使能端连接的二极管截止，PC端被DC-DC内部电路上拉到5.7 V，使能端PC为高电平，DC-DC开始启动电压转换，输出28 V直流电给航空重力仪等负载[14]。

图6 FARM2T11的EN端驱动DC-DC模块PC端

但实际工作中，在电源系统的整流滤波模块上电阶段，EN应处低电平，内部的MOS管处于导通状态，通过R4把PC拉到低电平(要求小于2.3 V)，但是MOS管导通时，实测导通漏级源级压降UDS为0.9 V左右，PC端限流3 mA，R4选取300 Ω，电阻压降为0.9 V，二极管导通压降0.45 V(本文以选取二极管IN5817为例)，故PC端低电平时电压为 2.25 V，非常接近低电平的要求的上限值2.3 V。若同时启动2个并联的DC-DC电源模块，电阻R4的电流会变大，压降也会增大。而且整流滤波模块与DC-DC模块之间通路导线也多少有一定的压降。这就导致PC端的低电平电压不能保证一直低于2.3 V，就不能保证DC-DC电源模块在电源上电阶段处于关闭状态，会尝试启动转换电压给负载，从而使整流滤波模块的输出总线电压提前带载，影响整理滤波模块内部的控制时序条件，进而影响整个电源系统的有效启动过程，会出现本文前面提到的反复“开机—输出电压—关机—再开机”的故障现象[15-16]。

3 新型连驱动方式

为了解决上述启动故障，本文在整流滤波模块和DC-DC电源转换模块之间采取了一种新型连接方式，如图7所示。采用整流滤波模块FARM2T11的Bus OK输出端(以下简称BOK端)代替EN端来使能DC-DC的PC端，BOK端与EN端恰好输出电平是反相的电位(图4时序所示)，外接一个NPN型的三极管来搭建控制PC端的驱动电路。

在图7中，J1为交流电,VAC(范围 AC90V～264V)，S1为双刀单掷开关，R1～R4为电阻，RL为负载电阻，C1为储能电容，D1为肖特基二极管，D2～D3为二极管1N5817,F1～F2为保险丝，N1为滤波整流模块FARM2T11, N2～N3为DC-DC电源转化模块V300A28T400B，以及Q1为NPN三极管2N3904。

图7 FARM2T11的B-OK驱动DC-DC模块的使能端PC

电源上电阶段，当储能电容C1的电压UA小于235 V，整流滤波模块N1的BOK端输出电压UBOK为高电位16 V(见图4时序)，通过限流电阻R4连接到NPN三极管Q1的基极，使Q1导通，通过R3，D2和D3将N2和N3的PC端拉为低电位，禁止电源模块N2和N3启动输出电压。而此时的PC点电压则由三极管Q1的饱和压降，和集电极的电阻R3和二极管决定，与电阻R4压降无关。三极管Q1的型号选为2N3904，通过查询手册饱和压降UCE为最大为0.3 V，集电极电阻R3选取150 Ω·m，因为单个DC-DC模块的PC端内部的限流为3 mA，两个模块为6 mA，故R3上压降为0.9 V，二极管D2型号为1N5817导通压降为0.45 V，同时在PCB电路板设计时，三极管Q1可以放置在DC-DC模块附近，导线压降可以忽略不计，所以PC的电压为1.65 V，远小于PC端低电平的最大值2.3 V，所以能保证电源上电阶段，DC-DC模块能有效的关闭，不影响整流滤波工作，不会出现上文提到的电源系统反复重启的现象，从而整个电源系统工作更加稳定[17]。

当储能电容上的电压UA大于235 V，且电压增长斜率趋向于0时，整流滤波模块内部的控制电路旁路掉给储能电容充电的PTC(正温系数)电流限制热敏电阻，经过300 ms时间，整流滤波模块N1的BOK端输出低电位0 V，三极管Q1截止，电源模块N2和N3的PC端不受外电路控制，由内部辅助电源上拉到5.75 V，延时4 ms后电源模块N2和N3被使能，输出电压28V经过D1A和D1B给负载电阻RL正常供电[18]。

4 EN和BOK上电和掉电特性对比

EN和BOK端口的上电和掉电工作特性图如图8所示，在图8a中，在满足一定条件下，BOK端口在EN变电平后150 ms输出低电平，结合三极管驱动DC-DC模块，多延迟的150 ms时间，有助于整流滤波模块FARM2T11内部的充分完成转化过程。在图8b中,在FARM2T11掉电后，只有直流输出总线电压VDC低于190 V时，BOK才会变成高电平，将封锁后面的DC-DC模块；只要在输出总线电压VDC降低到190 V之前恢复供电，BOK电平就不会变化，整流滤波模块FARM2T11不需要重复整个上电的过程，不影响整个电源系统的供电。

图8 FARM2T11中EN和BOK端口的上电(a)与掉电(b)波形

5 结论

1)本文通过设计一种新型的电路连接结构，采用滤波整流模块输出端BOK，来控制DC-DC电源模块的使能端PC，得电源模块的PC端在电源系统上电阶段能够充分拉低到2.3 V以下，储能电容C1上的电压比常规推荐的采用滤波整流模块的EN端控制时(限流电阻旁路后经过150 ms延时)的电压高很多，即使均流的两个电源模块带满载800 W开机，储能电容上的电压UA也不会降到使N2和N3关机的210 V,更不会降到电源系统关机的190 V, 这就避免在满载开机时出现“开机—输出电压—关机—再开机”一直重复启动的故障。

2)在本文的电路结构中，三极管Q1和二极管的型号选择只是一种参考，读者可以根据自己的需求更换其他相同功能的电子元器件。只要计算好导通压降，使得DC-DC电源模块的PC端在低电平时必须保证足够低于2.3 V即可。

3)在具体电路PCB电路板设计中，尽量使三极管放置离DC-DC电源模块近一点，这样可以使得导通回路的压降降低，更能保障电源系统的稳定性。