基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计.pdf

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1、第4 4 卷第4 期2 0 1 0 年4 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 4 N o 4A p r i l，2 0 1 0基于V I C O R 二代模块的集控系统电源模块设计孙传涛1，吴杰长1，张祚良2(1 海军工程大学，湖北武汉4 3 0 0 3 3；2 海军驻沈阳地区舰船配套军代室，辽宁沈阳11 0 1 4 2)摘要：根据某集控系统V M E 总线主控微机及接口板卡供电要求。以V I C O R 二代系列模块为基础进行了电源模块的优化设计，从保证电源瞬时失电而维持不问断输出的角度优化确定了电路中的保持电容。从电路和结构设计等多方面

2、进行优化以确保电源具有良好的工作可靠性、安全性、电磁兼容性和散热性。样机研制及试验表明该电源设计方法有效可行。关键词：电源；保持电容：电磁兼容中圈分类号：T M 4 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 1 0 0 X(2 0 1 0)0 4-0 0 6 9-0 3D e s i g no fP o w e rS u p p l yU l l i tf o rM a r i n eC e n t r a lC o n t r o lC o m p u t e rB a s e do nt h eS e c o n d g e n e r a t i o n C o RM o d u l e

3、 sS U NC h u a n t a 0 1，W UJ i e-c h a n 9 1，Z H A N GZ u o-l i a n 9 2(1 N a v a lU n i v e r s 毋o fE n g i n e e r i n g，W u h a n4 3 0 0 3 3，C h i n a；2 M i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eD e p a r t m e n t f o rS h i pM a t c h i n go f N a v yi nS h e n y a n gA r e a，S h e n y a n g1

4、1 0 1 4 2，C h i n a)A b s t r a c t：I no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fp o w e rs u p p l yf o rt h ec o m p u t e ra n di t si n t e r f a c ep l a t ec l i pi nt h em a r i n ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e m，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no ft h ep o w e rs u

5、p p l yu n i to ft h ec o n t r o lc o m p u t e r，b a s e do nt h ec o n v e r t e r so fV I C O R T h eh o l du pc a p a c i t yi nt h ec i r c u i t si si d e a l l yi m p r o v e d，8 0a st oe n s u r et h ec o n s t a n to u t p u tw h e nt h ep o w e rs u p p l yf a i l ss u d d e n l y T h ed

6、e s i g no ft h ec i r c u i t a n df r a m e w o r k sa n dS OO na l eo p t i m i z e dw i t hr e g a r dt or e l i a b i l i t y，s e c u r i t y，E M Ca n dh e a td i f f u s i o n T h ee x p e r i m e n tb a s e do nt h ep r o t o t y p es h o w st h a tt h em e t h o d sf o rd e s i g n i n gt h

7、ep o w e rs u p p l ya l ee f f e c t i v ea n df e a s i b l e K e y w o r d s：p o w e rs u p p l y；h o l du pc a p a c i t y；e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l e1 引言某船集控系统采用基于V M E 总线的加固计算机作为中央控制台主控计算机。相关接口板卡通过V M E 总线背板统一供电。主机及总线接口板卡需要供给电压稳定、转换效率高、纹波和噪声系数小、散热性能良好、可靠性高以及安全性好的高品质电源，且要求结

8、构紧凑能以模块化结构形式进行捅拔式安装和拆卸。为满足上述要求并缩短开发周期、节省设计成本和提高产品的标准化水平考虑到V I C O R 系列产品在功率密度、散热特性、模块化程度、设计灵活性等方面所具有的明显优势及其在军品电源设计中的广泛应用，在此基于V I C O R 系列模块进行设计。文献【1】中给出了一种基于V I C O R 一代产品进行电源二次开发和设计的方法。得益于电子技术的快速发展近年来推出的V I C O R 二代产品相比一代产品在综合性能指标及效费比方面具有明显优势。因此基于二代电源模块进行了电源的二次开发和设计。2 基本设计方案及工作原理从提高可靠性角度出发。实装中集控系统配

9、置定藕日期：2 0 0 9-1 0-1 3作者简介：孙传涛(1 9 8 6 一)，男，硕士，研究方向为船舶动力装置的设计、控制与仿真。的输入电源为主、备用两路2 2 0V 4 0 0H z 中频交流电。因此，所设计电源的基本任务是将两路输入电源通过自动切换电路后输出至下一级电路然后将其转换为符合供电要求的高品质D C+5V 和D C+1 2V工作电源。根据该要求和V I C O R 二代可选系列模块的特点，确定所要设计电源的基本构成和工作原理如图1 所示。噬，c 蹩褫剥黼断V 3 0 0 C#；兰=Q 旦H+5V 唾蕊【模块关断l 塑当坌型V 3 0 0 C 仁；兰兰兰蔓1 2 Z 垒H+1

10、2V 电压【模块关断I 熊堂堕型V 3 0 0 C1 2 C 7 5 B1 2 V输出+5V电压输出图1 基本构成及工作原理3 电源设计及实现3 1 主备用交流输入电源自动切换电路基于主备用电源电压采样比较判断而进行自动转换的技术思路。设计了主备用输入电源自动切换电路，如图2 所示。图中，继电器K：的通、断电由比较器输出信号控制，其触点则接入继电器K，线圈回路，K，触点控制主、备用电源之间的切换。电路的工作过程为：电压比较器同、反相输入端分别连接主、备用电源经变压器和整流转换后的信号，其输出控制三极管U 嵋的通断。当主用电源输入正常时，比较6 9壁蕊万方数据第4 4 卷第4 期2 0 1 0

11、年4 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 4，N o 4A p r i l，2 0 1 0器正饱和使得U。截止，K：和K，处于关断状态，电路由主用电源供电：当主用电源电压值低至一定程度时，比较器负饱和，u。导通使得K：导通并控制K，导通，电路输入自动切换到备用电源。K T 3图2 自动切换电路3 2 电源滤波、转换及保护电路设计图3 示出以V I C O R 二代A C D C 和D C D C 模块为核心设计的电源主体工作电路。主要包括1 型滤波兼A C D C 转换模块、3 型D C D C 转换模块以及相关附属电路。图中的滤波和自动调

12、节整流模块(F i h e r A u t o r a n g i n gR e c t i f i e rM o d u l e，简称F A R M 模块)用来对输入电源进行滤波和整流回。其内部滤波电路集成有抑制电压瞬变的压敏电阻、铁氧体线圈、滤除差模干扰的x 电容、滤除共模干扰的Y 电容以及保护电阻模块的输入为A C 2 2 0 V、输出为D C 3 0 0 V；D C，D C 模块用于将F A R M 模块输出的D C 3 0 0 V 转换为V M E 总线加固微机所需D C+5 V 和D C 1 2V的计算机工作电源。文中电源模块中的几个特殊技术问题主要涉及D C D C 转换输入端保

13、持电容的选型计算和电源保护电路的设计。NL图3 核心工作电路3 2 1D C D C 转换及保持电客优化设计在设计电源电路的时侯采用V 3 0 0 C 5 C 5 0 B 和V 3 0 0 C 1 2 C 7 5 B 两种模块对F A R M 输出进行D C D C转换，F A R M 输出约为D C 3 0 0 V。经以上两模块后可直接得至f J+5V 和+1 2V 的工作电源。所选用D C D C模块的主要特点【3】为：效率高达8 9：满载时的工作温度达到1 0 0o C；功率密度高达9 0 W 每立方英寸：尺寸小，安装方便。在实际应用中。要求输入电源出现规定时间内的瞬时中断时，电源必须维

14、持规定的输出电压，图37 0中保持电容c 7，G 用于在电源接通时进行充电储能，当输入电压中断后，保持电容通过释放所储存的电量来保证一定时间内的输出电压。保持电容的容量C 取决于输出母线电压的纹波、电源中断保持时间和过渡时间。保持电容计算过程如下：电容充电电压为“时。电容器中贮存的电量占=仇2 2。输入电源中断后，转换器模块所需的电量由电容器放电提供。该电量为：s=P A t-堡(些!三熊2jc _ 些(1)2U l -t t 2 式中：P 为转换器的输出功率；t 为电容放电时间间隔；。为起点电容器的电压；为终点电容器的电压。所设计电源的保持电容参数要求为：u 1=2 0 5V。w 2=1 8

15、 5 V，A t-9 m s，P=5 0 0 W，所以C=I1 5 3I x F。3 2 2 关断保护电路设计当D C D C 转换模块输出电压偏离正常值较大时，为保证计算机系统的工作可靠性，电源电路应设置自动关断保护功能，即当转换器输出异常时自动关断电源模块，以保护负载电路。图4 示出电源的关断保护电路。址9+1 2 VU 1 9 2 4 V+jli2一vm v。叫鞠。q 精弓+1 2V 丽皇r F 开丽门=万尹+2 4VG N D。；!坚三：il=垡墨=d 王三!；!唑。D C+5V 电压作为计算机最重要的供电电源。应具备较高的电源品质和较好的稳定性，图4 中的两个电压比较器组成的电压上下

16、限比较电路用于检测D C+5 V 输出电压，当电压偏离正常值较大时，通过光耦输出电压异常故障信号。D C+1 2V 是计算机风扇及其他接口部件的供电电源，电源品质可低于+5V。为简化电路设计，使用稳压管V D 以和光耦U：组成D C+1 2V 输出电压状态检测电路。当输入、输出电压信号异常时，由相关检测电路产生的关断信号作为或非门U 4 的输入。向外输出总的关断信号。当三极管v T。导通时，与其相连的P C 脚电平被拉低，D C D C 转换器关断。图4 中的基准电压弘，巩是由D C D C 转换器T M R 2 4 1 2 提供的。T M R 2 4 1 2 将2 4V直流电转换成1 2 V

17、 直流电，分别为光耦、三极管和运放电路提供偏置电压和基准电压。3 3 散热设计及电磁兼容性问题3 3 1电源的散热管理热损坏是导致电源故障和失效的重要因素之。按标准尺寸生产的第2 代V I C O R 模块具有更大丰用电源输入备用电源输入m旷睦m旷k睦3 3 3 3 3 33 3 3 3 3 3万方数据基于V l C O R 二代模块的集控系统电源模块设计的功率密度，功率损耗为1 0 2 0，损耗以热量的形式散发f 4】。实装集控系统中，模块接插在机箱中。若不采取有效的散热措施，这部分热量将使电源模块和机箱内部升温，容易导致电源品质变差，出现故障直至失效，或导致机箱内部其他部件不能正常工作。为

18、妥善解决该问题，除了在V I C O R 模块表面装有散热片外，再综合采用辐射散热、传导散热以及自然对流与强制对流相结合的散热设计措施，同时在机箱下方配置独立的风扇对电源及其他工作部件进行通风散热。以确保优良的散热性。通过采用上述技术手段，取消了在电源本体中设置风扇的常规性措施避免了常规电源中风扇及其控制电路这一易发故障因素，从而提高电源的可靠性指标。3 3 2 电源的电磁兼容性波模块的输入端接入X 电容和Y 电容。以进一步降低差模干扰和共模干扰。4 模块配机试验及结论将研制的电源模块接插于标准的V E M 总线机箱内。按输入输出电气特性定义连接好输入输出线缆给V M E 总线单板机和其他接口

19、设备供电。长时工作试用和测试结果表明：当主用电源电压降至约1 7 5 V 时。电源输入自动切换至备用电源，电压回升至1 9 4 V 时，再自动切换回主用电源。由于保持电容的作用，确保了切换瞬间电源输出连续稳定；电源输出纹波峰值、负载调整率分别小于1 和O 5 满足技术要求；散热特性良好。可见，该电源设计方法和技术有效可行，可满足高性能电源工作要求。良好的电磁兼容(E M C)设计是计算机与其他电参考文献予设备电磁兼容的有效保证，在设计中一般综合采【l】刘海松，吴杰长，郭朝有基于V I C O R 模块的船舶集控系用抑制干扰源，解决好电源共地，进行有效屏蔽、设统嵌入式单板机电源设计田机电设备，2

20、 0 0 9，(1)：1 4-1 7 计或选用合适的抗干扰滤波器等措施阿。电源电路中【2】V I C O R F A R M T MF i l t e d A u t o r a n g i n gR e c t i f i e rM o d u l eU p所选用的基于零电流开关技术的V I C O R 模块E M C协1 0 0 0 w a t 协【z】U S A，V I C O RC o，L t d，2 0 0 9 性能良好，从元件选用上降低了噪声干特由败沿计 3 1VIC4U9 W I，Mo R 3 0 0 V b p u：M i n i F 锄i l v D c 仍c c。n v e

21、 n e r M o d u l e 田翌皇鎏奎蓦。共竺翼鐾登苎复电要譬鬯董地篓夏jHU 欧S 寿A,春V I M C O c R。C R o 套纛墓篷某机载电子设备上的应用叨统筹考虑；电源壳体采用封闭式金属外壳(同时将外一自荔化博览，2 0 0 0，(2)：6 8 一”壳加工成具有良好散热特性的结构形式)，保证具有【5】欧寿春提高稳压电源的可靠性是增加机载计算机可靠良好的电磁屏蔽效果；实际电路会在F A R M 整流滤性的重要环节阴光电与控制，1 9 9 6，(3)：5 7 埘襞 冀n 呈已誉”：，o 主要妻善詈I(1m s 格)(a)u 相蟹通阶段电流电压燕eo一蛙2熊瘴o 喜萼萋t(2

22、5ms格)t(10u s，格)(c J 调制模式(d)调制过程电流电压图3 电流测量波形图3 d 为每个删周期中电流的变化曲线。电流传感器由于霍尔器件的滤波作用及示波器的量程限制，电流波动较微小；绕组电流真实反映出P W M过程电流的变化：总线电流由于逆变器内部续流的原因，在信号关断阶段，无续流过程，电流跌为零。6 结论针对无刷直流电机电磁转矩精确控制的问题提出了能够实现非换相相电流采样的新型逆变器拓扑结构。从上述实验分析和理论推导可见，总线电流采样无论在调制过程还是换相过程都无法真实地反映绕组内电流的情况，而采用所提出的全力矩电流采样方案可准确采集到非换相相电流，从而证实了该方案的可行性和有

23、效性。参考文献 1】郭永东，卢靖华飞轮制动切换研究阴微特电机，1 9 9 8，(3)：2-：5【2】杜坤梅，李铁才惯性飞轮电机力矩伺服控制系统阴电机与控制学报，2 0 0 1，6(5)：1 1 9 1 2 0 3】张晓峰，胡庆波，吕征宇基于B u c k 变换器的无刷直流电机转矩脉动抑制方法【儿电工技术学报，2 0 0 5，2 0(9)：7 2 8 1 1 4 1Y e n-S h i nI a i，F u-S a nS h y u，Y o n g-K a iL i m N o v e lP W MT e e h n i q u ew i t h o u tC a u s i n gR e v

24、 e r s a lD C-L i n kC u r r e n tf o rB r u s h-l e s sD CM o t o rD r i v e sw i t hB o o t s t r a pD r i v e r A 2 0 0 5F o r t i e t hI A SA n n u mM e e t i n gI n d u s t r yA p p l i c a t i o n sC o n f e r e n c e C 2 0 0 5，3(2)：2 1 8 2-2 1 8 8【5】张相军，陈伯时无刷宣流电机控制系统中P W M 调制方式对换相转矩脉动的影响册电机与控

25、制学报，2 0 0 3，7(2)：8 7 9 1 7 1万方数据基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计作者：孙传涛，吴杰长，张祚良作者单位：孙传涛,吴杰长(海军工程大学,湖北,武汉,430033)，张祚良(海军驻沈阳地区舰船配套军代室,辽宁,沈阳,110142)刊名：电力电子技术英文刊名：POWER ELECTRONICS年，卷(期)：2010,44(4)参考文献(5条)参考文献(5条)1.欧寿春 提高稳压电源的可靠性是增加机载计算机可靠性的重要环节 1996(03)2.欧寿春 VICOR电源模块在某机载电子设备上的应用期刊论文-自动化博览 2000(02)3.VICOR 300V Input Mini Family DC/DC Converter Module 20094.VICOR FARMTM Filter/Autoranging Rectifier Module Up to 1000Watts 20095.刘海松;吴杰长;郭朝有 基于VICOR模块的船舶集控系统嵌入式单板机电源设计期刊论文-机电设备 2009(01)本文链接：http:/