模塊電源輔助功能的研制

摘要：介紹了解決模塊電源過(guò)、欠壓保護(hù)和延長(zhǎng)輸出電壓保持時(shí)間的方法，分析了保持時(shí)間的計(jì)算方法，解決了模塊電源在機(jī)載領(lǐng)域使用的具體要求，使模塊電源的功能得到了充分的發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：模塊電源；過(guò)、欠壓保護(hù)；輸出電壓保持時(shí)間

Research of Assistant Function for Module Power Supply

PANG Jing, BAI Yong-gang, XIE Jun-xian?

Abstract:The Solution for overvoltage and under-voltae protections as well as prolonging output voltage maintenance time of module power supply are introduced,and the calculation method for maintenance time is analysised.Moreover,the detailed requirements were solved for the module power supply using in the aircraft.Hence,the functions of module power supply were adequately displayed.?

Keywords:Module power supply; Overvoltage and under-voltage protections; Output voltage maintenance time?

1? 前言

??? 隨著機(jī)載技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足機(jī)載設(shè)備對(duì)電源模塊的要求，提高可靠性，節(jié)約飛機(jī)上的能源和空間，縮短研制周期，機(jī)載電源模塊逐步向小型化、高效化和模塊化方向發(fā)展，模塊電源越來(lái)越多地用在了機(jī)載電子產(chǎn)品上。雖然模塊電源具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在模塊電源的研制過(guò)程中，由于重點(diǎn)放在了提高電源效率，減小體積上，尤其對(duì)輸出功率較小的模塊電源，其內(nèi)部空間有限，有許多電源內(nèi)部不具備輸出電路的過(guò)欠壓保護(hù)功能。同時(shí)在機(jī)載產(chǎn)品中，為了滿足國(guó)軍標(biāo)GJB181-86對(duì)用電設(shè)備的要求，在地面電瓶車(chē)和機(jī)上電源轉(zhuǎn)換期間以及匯流條切換過(guò)程瞬間，如何使機(jī)上設(shè)備正常工作，即怎樣提高模塊電源輸出電壓的保持時(shí)間，也是模塊電源作為機(jī)載電源應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。本文針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。

2? 過(guò)壓與欠壓保護(hù)電路

??? 過(guò)、欠壓保護(hù)電路的作用是，當(dāng)輸出電壓超過(guò)或低于設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出限定在某一安全值的范圍內(nèi)，或使輸出電壓關(guān)閉，從而達(dá)到保護(hù)電源模塊和用電設(shè)備的雙重功效。

??? 在以往用分立元器件組成的電源模塊中，通常采用齊納二極管和晶閘管組成的過(guò)壓保護(hù)（OVP）電路（見(jiàn)圖1），或集成化的OVP電路。前者的工作原理是，當(dāng)過(guò)壓現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，齊納二極管D發(fā)生雪崩擊穿使V導(dǎo)通，把電源輸出端短路，從而將過(guò)壓保護(hù)轉(zhuǎn)換為過(guò)流保護(hù)，這種保護(hù)一旦發(fā)生，只有把電源的輸入電壓斷開(kāi)幾秒鐘后，才能使電路恢復(fù)正常。而集成OVP保護(hù)電路是利用專門(mén)的集成電路（如MC3423），將過(guò)壓采樣信號(hào)加到感應(yīng)電壓端，當(dāng)輸出電壓大于某一額定電壓時(shí)，集成OVP電路輸出高電平，該電平加至脈寬調(diào)制器的控制端，使保護(hù)電路開(kāi)始工作。如果過(guò)壓條件撤出，它可以使電路恢復(fù)正常。

圖1? 齊納二極管和晶閘管組成的OVP電路

??? 使用模塊電源時(shí)，由于沒(méi)有獨(dú)立的脈寬調(diào)制器，因此采用上述兩種方法進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)是行不通的。為此，選用UC公司生產(chǎn)的UC3903芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的過(guò)、欠壓保護(hù)。

2.1? UC3903芯片的性能及特點(diǎn)

??? UC3903系列集成電路可以同時(shí)響應(yīng)4路電壓的過(guò)、欠壓信號(hào)，內(nèi)部的運(yùn)算放大反向器允許至少1路信號(hào)為負(fù)電壓。其內(nèi)部包含過(guò)、欠壓比較器，通用運(yùn)算放大器，電源過(guò)壓感應(yīng)電路，過(guò)、欠壓延時(shí)電路，啟動(dòng)鎖存電路和3路OC（集電極開(kāi)路）門(mén)輸出電路等。

??? 該集成電路內(nèi)部的故障窗口調(diào)節(jié)電路可以很容易地實(shí)現(xiàn)過(guò)、欠壓門(mén)限電壓的編程控制，門(mén)限電壓以2.5V為基準(zhǔn)變化，具有與窗口寬度相關(guān)的輸入滯后。一旦出現(xiàn)故障，UC3903的三個(gè)OC門(mén)輸出可以吸收超過(guò)30mA的負(fù)載電流，這三個(gè)OC門(mén)輸出分別對(duì)應(yīng)過(guò)壓（OV）、欠壓（UV）和電源工作正常（Power OK）三種情況。除此之外，UC3903內(nèi)部還包含一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，該運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)其它輔助功能，例如用2.5V輸出作為基準(zhǔn)電壓、感應(yīng)和放大反饋誤差信號(hào)。為了防止啟動(dòng)瞬間過(guò)壓指示的誤動(dòng)作，UC3903內(nèi)部還具有啟動(dòng)鎖存功能。

??? UC3903的工作電壓為8～40V，工作電流7mA。器件封裝形式有PLCC?20、LCC?20表面貼裝封裝形式及雙列直插DIP18塑封、陶瓷和表面貼裝封裝形式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2? UC3903框 圖

2.2? 管腳定義

??? VREF?? 精密的2.5V電壓基準(zhǔn)，可作為外部電路的基準(zhǔn)電壓。

??? WINDOW??? ADJUST??? 窗口調(diào)節(jié)。

??? SENSE 4 INVERT INPUT??? 過(guò)、欠壓信號(hào)輸入端4反向電壓輸入端。

??? SENSE??? 1－4??? 過(guò)、欠壓信號(hào)輸入端。

??? OV RELAY過(guò)壓延時(shí)。

??? OV FAULT 過(guò)壓故障，信號(hào)電平為低電平有效。

??? UV FAULT 欠壓故障，信號(hào)電平為低電平有效。

??? POWER? OK? 電源工作正常指示。

??? LINE/SWITCHER? SENSE? 電網(wǎng)/開(kāi)關(guān)感應(yīng)端。

??? OUTPUT??? 通用運(yùn)算放大器輸出端。

??? N.I?????? 通用運(yùn)算放大器同向端。

??? INV.????? 通用運(yùn)算放大器反向端。

2.3? 典型應(yīng)用

??? UC3903用于3路輸出模塊電源過(guò)、欠壓保護(hù)電路的典型應(yīng)用如圖3所示。其主要原理是，多路監(jiān)視器UC3903接收到各路輸出電壓信號(hào)后，分別與過(guò)、欠壓門(mén)限電壓比較，經(jīng)過(guò)、欠壓比較器檢測(cè)，輸出正常時(shí)OC門(mén)輸出腳11（OV FAULT）、腳12（UV FAULT）、腳14（POWEROK）經(jīng)過(guò)電阻R15上拉為T(mén)TL高電平。如果某一路或幾路輸出電壓有故障（過(guò)壓或欠壓），該監(jiān)控器的腳11，腳12或腳14即輸出一個(gè)TTL低電平，此電平作為故障告警信號(hào)，加至模塊電源的控制端，關(guān)閉電源模塊的輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)、欠壓保護(hù)。

圖3? 三 路 輸 出 模 塊 電 源 過(guò) 、 欠 壓 保 護(hù) 電 路 圖

3? 輸出電壓保持時(shí)間

3.1? 保持時(shí)間的定義

??? 開(kāi)關(guān)電源中由于濾波電容的存在，在輸入電壓降低或關(guān)閉的過(guò)程中，使得輸入電網(wǎng)電壓從最低值到輸出電壓下降到系統(tǒng)無(wú)法正常工作的臨界值時(shí)，輸出電壓能夠維持一段時(shí)間，這段時(shí)間稱之為輸出電壓保持時(shí)間。

??? 對(duì)于機(jī)載設(shè)備，按照國(guó)軍標(biāo)GJB181-86對(duì)用電設(shè)備的要求，輸出保持時(shí)間有兩個(gè)含義。一是指當(dāng)輸入電壓欠壓時(shí)，即直流輸入電壓降到8V，交流輸入電壓降到70V時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能滿足50ms的保持時(shí)間要求，也就是系統(tǒng)要能正常工作50ms。另一種是指當(dāng)輸入電壓徹底斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓能夠保持多長(zhǎng)時(shí)間，使得系統(tǒng)仍能夠工作。

3.2? 保持時(shí)間的計(jì)算方法

3.2.1? 交流輸入的保持時(shí)間計(jì)算

??? 交流輸入整流電路和整流波形分別見(jiàn)圖4，圖5。

圖4? 交 流 輸 入 整 流 電 路

圖5? 交 流 輸 入 的 整 流 波 形

??? 從圖5中可以看出，從t0時(shí)刻開(kāi)始，整流橋輸出電壓大于儲(chǔ)能電容器C上的電壓，整流橋?qū)ǎ斎腚娋W(wǎng)對(duì)C充電，同時(shí)向負(fù)載提供能量。在t1時(shí)刻，整流橋輸出電壓達(dá)到最大值，限流電阻R上的電壓也達(dá)到最大值URm。然后整流橋電壓開(kāi)始下跌，C也開(kāi)始放電，并和電網(wǎng)一起通過(guò)開(kāi)關(guān)向負(fù)載提供能量直至t2時(shí)刻。而此時(shí)刻整流橋上的電壓與電容上的電壓相等，電阻R上的電壓為零。在以后的t2～t3時(shí)間內(nèi)，電容器處于放電狀態(tài)，C放電直至t3時(shí)刻結(jié)束。

??? 從以上的描述中，可以把在放電后t2至t3這一段時(shí)間稱為輸出電壓維持時(shí)間tk，用公式表示為

?????? tk=t3－t2?????? （1）

??? 當(dāng)t0到t1、t2的時(shí)間遠(yuǎn)小于tk時(shí),則可近似認(rèn)為電容C在tk時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供能量,也即是開(kāi)關(guān)電源的輸入功率Pi.如果用U2、U3表示t2、t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸入電壓,則維持時(shí)間可用公式表示為

??? tk=????? （2）

3.2.2? 直流供電的開(kāi)關(guān)電源保持時(shí)間

??? 在直流供電條件下,開(kāi)關(guān)電源輸出保持時(shí)間tk的計(jì)算公式是

????? tk=? （3）

式中：U2——輸入電壓最低時(shí)的電壓值；

????? U3——輸出電壓下降到臨界值時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。

3.3? 延長(zhǎng)輸出保持時(shí)間的方法

??? 由上述分析結(jié)果可以看出，輸出保持時(shí)間的長(zhǎng)短主要與輸入電容Ci，電源輸入功率Pi，t2、t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值U2、U3有關(guān)外，還與輸出電容和輸出負(fù)載也有一定的關(guān)系。雖然增加輸出電容量亦可增加保持時(shí)間，然而增加輸出電容量就意味著增加電源的體積和重量，而放電時(shí)間相對(duì)于充電時(shí)間較快，且與負(fù)載有關(guān),因此相對(duì)于輸入電容，輸出電容對(duì)保持時(shí)間的影響幾乎可以忽略不計(jì)。在體積重量允許的情況下,采取多個(gè)電容并聯(lián)的方式來(lái)增大Ci容量，可延長(zhǎng)輸出保持時(shí)間。然而，隨著輸入電容的增大，電源啟動(dòng)瞬間的浪涌電流也會(huì)增大，使得功率管的峰值電流應(yīng)力增加，從而增加了功率管的成本，降低了電路開(kāi)啟工作的可靠性。權(quán)衡考慮，除增加儲(chǔ)能電容的容量外，適當(dāng)設(shè)計(jì)輔助電路，使其在電網(wǎng)正常時(shí)不工作，僅僅在欠壓瞬間工作，這樣就可以減小啟動(dòng)瞬間的浪涌電流，提高正常工作時(shí)的電源效率，并且能夠延長(zhǎng)輸出電壓的保持時(shí)間。

??? 對(duì)于直流供電的模塊電源一般采用輔助升壓電路，當(dāng)供電電源低于某一設(shè)定值時(shí)，升壓電路開(kāi)始工作，將輸入電壓升高，使得在低輸入電壓情況下電源也能正常工作，從而拉寬了電網(wǎng)的工作范圍，使電源在低電壓和斷電兩種情況下的保持時(shí)間均得到了延長(zhǎng)。

??? 對(duì)于交流供電的模塊電源，一般的模塊電源均能滿足寬輸入電壓的要求，因此延長(zhǎng)保持時(shí)間主要指的是延長(zhǎng)輸入電壓斷電時(shí)的保持時(shí)間，采用圖6所示的輔助電路可以將電源的保持時(shí)間延長(zhǎng)將近1倍。其工作原理是，當(dāng)輸入電壓正常時(shí)，電容C2上的電壓為整流后的電壓，且該電壓經(jīng)過(guò)二極管D和電阻R向電容C1充電，一旦電容C2上的電壓低于C1上的電壓，二極管D截止，電容C1上存儲(chǔ)一定的電壓，功率管Q1不導(dǎo)通時(shí)，只有電容C2上的電壓加至模塊電源上。當(dāng)輸入電壓下降后，其它檢測(cè)單路輸出的控制信號(hào)加至Q2上，使Q1導(dǎo)通，而此時(shí)電容C2上的電壓低于C1上的電壓，這樣C1上的電壓向模塊供電，相當(dāng)于模塊電源的輸入電壓升高，其結(jié)果必然使輸出保持時(shí)間延長(zhǎng)，而這部分電路在電網(wǎng)正常時(shí)并不工作，因此不會(huì)帶來(lái)啟動(dòng)瞬間電流增大的問(wèn)題。

圖6? 延 長(zhǎng) 保 持 時(shí) 間 電 路 圖

4? 結(jié)語(yǔ)

??? 由于使用了過(guò)、欠壓保護(hù)電路，不僅使電源本身的保護(hù)能力得到加強(qiáng)，也使得電源的智能化水平有所提高。將電源正常指示信號(hào)和過(guò)、欠壓信號(hào)通過(guò)接口電路加到計(jì)算機(jī)上，可以方便地檢測(cè)電源的工作，提高電源的可測(cè)試性，進(jìn)而提高了電源的可維護(hù)性。

??? 使用輔助電路延長(zhǎng)輸出電壓的保持時(shí)間，不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且也較好地解決了增大輸入電容與延長(zhǎng)保持時(shí)間之間的矛盾，降低了起動(dòng)瞬間的浪涌電流。

??? 正是由于使用了上述電路，增大和完善了模塊電源的功能，加上模塊電源本身所具有的體積小、重量輕、集成度高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，模塊電源勢(shì)必會(huì)在機(jī)載領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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