電源切換對(duì)系統(tǒng)工作影響分析與解決方案

郭玲紅，彭 洋

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009）

為提高系統(tǒng)工作可靠性，尤其是系統(tǒng)供電的可靠性，經(jīng)常需要提供兩路穩(wěn)定可靠性的工作電源，在一路電源出現(xiàn)故障時(shí)可以迅速切換到備路電源[1]。在一個(gè)由開關(guān)電源組合、數(shù)字模擬混合電路系統(tǒng)、中頻信號(hào)組成的接收系統(tǒng)中，當(dāng)電源切換繼電器實(shí)現(xiàn)主路到備路的切換時(shí)，系統(tǒng)工作電流比正常情況大，而且數(shù)據(jù)混亂。為此對(duì)故障產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 電路工作框圖及故障現(xiàn)象

圖1所示為一個(gè)電源切換的原理框圖，其中主路模塊和備路模塊分別為兩路相同的開關(guān)電源模塊，電源通斷開關(guān)J1是28 V輸入電的開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)一次電源的供斷電；電源切換開關(guān)J2是主路和備路選擇開關(guān)，用于根據(jù)系統(tǒng)指令實(shí)現(xiàn)從主路模塊到備路模塊的切換，以及從備路模塊到主路模塊的切換；電源隔離開關(guān)J3用于實(shí)現(xiàn)對(duì)主路和備路電源模塊之間的隔離，其選擇邏輯與J2保持一致；開關(guān)J1和J2選用2JB15-1磁保持繼電器，開關(guān)J3選用4JB5-2磁保持繼電器。

電源控制指令包括：一次電源加電指令、一次電源斷電指令與二次電源輸出主路到備路切換指令，由于系統(tǒng)指令有限，一次電源加電指令和備路到主路切換指令共用一個(gè)指令線。

工作過(guò)程：

1）當(dāng)一次電源加電指令到來(lái)后，繼電器J1將28 V一次電源接通，此時(shí)，28 V動(dòng)作電壓也加在繼電器J2與J3上。此時(shí)，若J2與J3接通的是備路，則J2與J3將會(huì)動(dòng)作，把主路接通；若接通的就是主路，則兩繼電器不動(dòng)作。

圖1 電源切換原理框圖Fig．1 principle diagram of power switch

2）當(dāng)二次電源主到備切換指令到來(lái)后，備路DC/DC模塊有輸入28 V，其輸出通過(guò)J3供給分機(jī)；

3）當(dāng)一次電源斷電指令到來(lái)時(shí)，J1將28 V斷開，電路沒(méi)有輸出；

在系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)送二次電源備路到主路切換指令時(shí)，電流比正常情況大，信號(hào)處理性能喪失。

2 工作原理分析

系統(tǒng)通過(guò)OC門控制電路發(fā)送各個(gè)控制指令，由繼電器相應(yīng)控制指令，并電源模塊實(shí)現(xiàn)功能切換，下面對(duì)控制指令發(fā)送電路、電源切換電路以及繼電器工作電路分別進(jìn)行分析[2]。

1）控制指令電路圖 如圖2所示為控制指令電路OC門控制電路的原理圖，A與B端為輸入端，當(dāng)需要發(fā)送控制指令時(shí)，在任一輸入端輸入一正脈沖信號(hào)，通過(guò)OC門，到達(dá)圖中“OUT”端時(shí)，變?yōu)橐回?fù)脈沖，在負(fù)脈沖時(shí)間內(nèi)，“OUT”是與大地接通的，所以此時(shí)OC門等效為接地[3]。

2）繼電器工作原理 磁保持繼電器[4]用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的接通與斷開，其工作原理是：磁保持繼電器內(nèi)部包含兩個(gè)線圈，輸入1和輸入2分別連接兩個(gè)輸入信號(hào)，指令1和指令2端口分別連接兩個(gè)控制指令線，當(dāng)指令1端口收到控制指令時(shí)，接收電流流過(guò)內(nèi)部的線圈1，使得線圈1產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的簧片吸合，接通輸入1對(duì)應(yīng)的信號(hào)，只要指令2未接收到控制指令，線圈2上就不通過(guò)電流，也就不產(chǎn)生磁場(chǎng)，則簧片保持在該狀態(tài)不動(dòng)，輸出口始終連接在輸入1上，直至指令2接收到控制指令后，線圈2上通過(guò)電流，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，簧片切換到對(duì)應(yīng)的2口，輸出口連接輸入2的信號(hào)。

圖2 控制指令電路Fig.2 Control circuit

圖3 繼電器原理圖Fig.3 Schematic diagram of relay

3）電源切換電路原理圖如圖4所示。

如圖所示，J1是28 V輸入電的開關(guān)，J2是主路和備路選擇開關(guān)。J3輸入端為主路和備路輸出電，J3輸出為主路或者備路，其選擇邏輯與J2保持一致。

圖4 電源切換原理圖Fig.4 Schematic diagram of switching power supply

電源切換開關(guān)J2和電源隔離開關(guān)J3中“1”對(duì)應(yīng)主路電源模塊，“2”對(duì)應(yīng)備路電源模塊，“3”為輸出端，當(dāng)指令1接收到OC門輸出脈沖時(shí)，如圖2中右圖所示，線圈一端為28 V，一端通過(guò)OC門接地，線圈兩端有28 V的壓降，線圈中有電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將簧片吸合。此時(shí)，若在指令1處的OC門再接通，因?yàn)榛善呀?jīng)吸合在“1”端，繼電器不動(dòng)作，只有在“2”端的OC門接通時(shí)，繼電器才會(huì)將“2”與“3”接通。

圖5 繼電器工作等效原理圖Fig.5 Schematic diagram of relay equivalent

3 故障機(jī)理

通過(guò)對(duì)切換電路分析，考慮在發(fā)送二次電源備路到主路切換指令時(shí)，繼電器J2和J3同時(shí)切換，輸出電源電壓會(huì)出現(xiàn)短暫掉電后加電的情況，也就是說(shuō)當(dāng)二次電源從備路切換到主路時(shí)，備路電源模塊首先正常輸出，很快又切換至主路電源模塊輸出，這樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)中某些器件尤其是FPGA、DSP等可能會(huì)出現(xiàn)軟件加載不正常的情況，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常[5]。

為了弄清在二次電源備路到主路切換時(shí)，是什么原因?qū)е孪到y(tǒng)工作異常，對(duì)二次電源備路到主路切換時(shí)的電源輸出電壓波形進(jìn)行了監(jiān)視。通過(guò)示波器觸發(fā)功能，顯示了電源由主路到備路切換以及備路到主路切換時(shí)電源電壓波形，如下圖所示：

圖6 主路到備路切換波形圖Fig.6 Switching waveforms（main to preparation）

圖7 備路到主路切換波形圖Fig.7 Switchingwaveforms（preparation tomain）

從上圖可以看出主路到備路切換時(shí)掉電幅度小，但由于在負(fù)載端電源輸入口有濾波電容的存在，使得掉電過(guò)程延長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)影響比較小；而從備路到主路切換時(shí)掉電幅度大，對(duì)于系統(tǒng)而言，相當(dāng)于快速斷電后加電[6]。

為了排除二次電源其他部分對(duì)加電瞬間電壓波形的影響，用DC/DC模塊和繼電器按照電源實(shí)際情況搭建了切換電路，用示波器監(jiān)視瞬時(shí)加載電壓的波形，如圖8、9所示。

圖8 主到備路切換電壓波形Fig.8 Voltage waveform（main to preparation）

圖9 備到主路切換電壓波形Fig.9 Voltagewaveform（preparation tomain）

從上圖可以看出，若負(fù)載端電源輸入沒(méi)有濾波電容，電路切換時(shí)，掉電幅度可以達(dá)到5 V，而且由主路切到備路和由備路切回主路時(shí)間常數(shù)不同（表明繼電器內(nèi)部并不對(duì)稱）。

單獨(dú)對(duì)兩種繼電器切換的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，圖10、11為4JB5-2與2JB15-1兩種繼電器的連接方式：

圖10 2JB15-1連接方式Fig.10 2JB15-1connectionmode

圖11 4JB5-2連接方式Fig.11 4JB5-2connectionmode

其波形圖如圖12、13所示。

圖12 2JB15-1主到備切換圖Fig.12 2JB15-1 switch graph（main to preparation）

圖13 2JB15-1備到主切換圖Fig.13 2JB15-1 switch graph（preparation tomain）

兩種繼電器連接后，發(fā)現(xiàn)掉電時(shí)間增加了，連接方式如圖16所示。這種連接方式下，電壓波形圖如圖17、18所示。

圖14 4JB5-2主到備切換圖Fig．14 4JB5-2 switch graph（main to preparation）

圖15 4JB5-2備到主切換圖Fig．15 4JB5-2 switch graph（preparation tomain）

圖16 繼電器連接方式圖Fig．16 Relay connection diagram

圖17 主到備切換圖Fig．17 Switch graph（main to preparation）

圖18 備到主切換圖Fig．18 Switch graph（preparation tomain）

時(shí)間增加的原因：J2的線圈電阻為320Ω，J3的線圈電阻為560Ω，前者線圈電流較大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)較強(qiáng)，動(dòng)作時(shí)間就比后者短，當(dāng)指令到來(lái)時(shí)，J2先切換，J3上已經(jīng)沒(méi)有輸出，只有J3切換后，J3上才有輸出，最后導(dǎo)致切換時(shí)間增加。具體過(guò)程如圖19所示。

圖19 繼電器切換時(shí)序圖Fig．19 Relay switching timing diagram

4 解決方式

在系統(tǒng)加電端加電容：添加電容可以減小電源切換時(shí)掉電幅度，所以考慮采取在輸出端接入電容的方式解決問(wèn)題。在二次電源輸出端各并入3個(gè)47μF的電容，并入電容后波形圖如圖20、21所示。

圖20 主到備路切換電壓波形Fig．20 Switchingwaveforms（main to preparation）

圖21 備到主路切換電壓波形Fig．21 Switchingwaveforms（preparation tomain）

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)在由備路切換至主路時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)定切換，組件工作狀態(tài)正常，解決了存在的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

文中分析可以看到，繼電器串聯(lián)使用時(shí)需要考慮到線圈電阻的不同，為了保證切換的正常進(jìn)行，需要對(duì)輸出電源端或者是系統(tǒng)工作電源端并聯(lián)濾波電容，減小掉電時(shí)對(duì)系統(tǒng)工作的影響，保證切換時(shí)不影響系統(tǒng)的正常工作。

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