基于模塊電源的船舶集控系統嵌入式單板機電源設計

引言

某船集控系統采用SBS公司VME總線嵌入式單板機作為中央控制臺主控計算機，需要供給電壓穩定、轉換效率高、紋波和噪聲系數小、散熱良好的工作電源，且要求結構緊湊，便于與嵌入式單板機一起安裝在標準的6u高度機箱內．

該電源設計可采用2種方法：從最基本的電源變換單元到完整的功能性樣機，均進行自行設計；或以成熟的電源變換功能模塊為基礎，外加輔助性電路(輸出電壓調節、電壓檢測報警等)優化整合為適用、高效、可靠的電源模塊．考慮到國內外電源領域知名公司針對市場需求已開發功能、品種齊全的模塊化電源，采用第二種方法可更加靈活快捷地完成電源系統的設計開發，縮短開發周期，節省人力及設計成本．同時，以模塊化電源為基礎可大量減少外部接線、焊點或連接點，產品的可靠性將明顯增加．

目前模塊電源的國內外知名公司品牌產品主要有美國的Vieor、日本的Cosel和LAMBDA等，其中、Vicor系列模塊在功率密度、散熱管理、配置靈活性等各方面具有明顯的優勢，在惡劣環境和高可靠性需求場合應用廣泛，是日前抗惡劣環境計算機的優選電源．本文根據項目實際需求，采用Vicor模塊進行某嵌入式單板機的供電電源設計．

1 電源設計及實現

1．1 基本要求及技術方案

根據系統的電源供配電規劃，待設計電源模塊可取得2路DC24V輸入電源，因此本題電源設計的基本要求是將Dc24V電源轉換處理為符合單板機供電要求的Dc+5V和±12V工作電源．根據設計要求和Vicor系列模塊電源規格，擬選用VI-IAM模塊(輸入衰減濾波模塊，Input Attenuator Module)先對輸入電源進行濾波，在此基礎上選用VI-2W0、VI—JW1模塊進一步轉換為DC+5V和±12V，總體技術方案如圖1所示．

1．2 雙路輸入冗余設計、輸入電源狀態監測及濾波

為提高系統可靠性，采用雙路輸人冗余供電，雙路電源輸入及輸入電壓上下限監測及濾波電路如圖2所示．圖中，兩路DC24V輸入電源經2個二極管進行冗余供電．為了滿足EMC技術要求，降低噪聲干擾，采用VI-IAM模塊A1進行濾波．VI-IAM輸入衰減模塊是一種直流輸入前端濾波器，該模塊與Vicor變換器模塊配套使用時，可以保證EMC技術性能要求．為實現對輸入電壓范圍的檢測，圖中設置了以運放為核心的電壓上、下限比較電路．當輸入電壓超過設定的上限或下限門檻值時，通過光耦產生輸入電壓異常信號，用于關斷下位DC／DC模塊．作為比較器使用的運放輸入端比較基準電壓由78l2的穩壓輸出端提供，而DC／DC轉換器TME1212S的輸出則用作光耦輸出端電路工作電源.

1．3 DC／DC轉換主電路及調節電路設計

DC／DC轉換主電路及調節電路如圖3所示．DC24V輸入電壓經VI-IAM輸入衰減模塊濾波后，再經VI-2W0和VI-JW1模塊轉換成+5V和±12V直流電壓．為保證DC／DC變換器輸出電壓具有一定偏差范圍內的可調節性，或保證當輸入電壓偏離一定范圍或負載效應較大時仍能穩定在標稱值，根據Vicor模塊應用手冊推薦的設計和計算方法在VI-2W0、VI-JW1模塊輸出端外接調壓電阻網絡．以VI-2W0模塊+5V輸出電壓的調整為例，選配阻值為l0 kΩ 的電位器R4調整輸出電壓，電阻R2和R3則用于限制電壓調低和調高的范圍，當R2選用23．63kΩ、R3選用90KΩ，則輸出電壓可在±10％之間調整．圖3中虛線框中的電路用于平緩DC／DC變換器輸入電壓的波動．當輸入電壓有較大瞬時擾動時，兩個大容量的電解電容C13、C14將通過充、放電平緩輸入電壓波動，保證DC／DC變換器的正常工作．

1．4 DC／DC轉換模塊關斷保護功能電路設計

當DC／DC轉換模塊輸入電壓、輸出電壓偏離較大時，為保證嵌入式單板計算機系統及接口板卡的工作可靠性，電源電路應設置自關斷保護功能：即輸入輸出異常時自動關斷電源模塊，保護負載電路．本文設計的DC／DC轉換模塊關斷保護功能電路如圖4所示．

由于DC+5V是嵌入式單板計算機最重要的供電電源，應具備更高的電源品質，更好的穩定性，圖4中的電壓上、下限比較器電路檢測DC+5V輸出電壓，當電壓偏離正常值較大時，通過光耦產生輸出電壓異常信號．DC±l2V是計算機中風扇及其他接口部件的供電電源，電源品質要求可低于DC+5V，為簡化電路設計，使用穩壓管D3和光耦U4組成DC±12V輸出電壓狀態檢測電路．輸入輸出電壓異常時由相關檢測電路產生的關斷信號作為或非門4002的輸入，向外輸出總的關斷信號．當三極管Tl導通時，與其相連的Gate In腳的電平被拉低，DC／DC轉換器關斷．

1．5 其他問題

1．5．1 散熱和結構設計

良好的散熱設計對提高電源的可靠工作非常重要，散熱不良極易引起電源品質惡化，實踐表明電源功能故障也往往由高溫熱損壞引起．盡管Vicor電源模塊的效率較高(80％ ～90％)，但仍有10％ ～20％的功耗，這部分功耗以熱量的形式散發 ，本文設計電源模塊安裝在標準的6U高度機箱內，如不采取有效的散熱冷卻措施，這部分熱量將使電源本身及機箱內部插件板溫度升高，因此電源散熱設計問題不容忽視．為妥善解決此問題，將電源殼體設計制作為具有良好散熱特性的金屬外殼形式，Vicor電源模塊散熱面安裝在金屬殼體上，機箱下方配置風扇對電源及其他電路板進行通風散熱，藉此確保優良的散熱特性．

1．5．2 電磁兼容性設計

良好的電源電磁兼容性設計是保證計算機和其它電子設備電磁兼容、免受干擾的有效途徑，本文在前面所論述的電路設計中已采取相應措施，此處解釋說明如下：

1)配套使用VI-IAM模塊與DC／DC變換器，以滿足EMC技術性能要求，降低噪聲干擾；

2)在VI-IAM模塊的輸入端接入X型電容(圖2中C1)，并在VI-2W0、VI-JWl模塊的輸入端和輸出端到接地的基板之間分別接人Y型旁路電容(圖3中C2、C3、C5、C6)，用于減少差模干擾和共模干擾，滿足電磁兼容性要求；

3)電源采用封閉式的金屬外殼，保證其良好的電磁屏蔽作用．

1 電源設計及實現

將基于Vicor電源模塊、依據上述方法設計研制的電源接插于標準的VME總線機箱內 根據電氣特性定義和要求連接好VME總線背板、給VME總線嵌入式單板機和其他接口設備供電，經過實驗室試運行和長時間連續考核試驗，表明基于Vicor模塊設計和研制的電源各方面性能完全滿足要求，文中提出的電源設計和實現方法無論在工作可靠性、功率密度、轉換效率、負載特性、電磁兼容性和散熱特性等方面均具有獨到的優點．