某艦船武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)供電電源硬件設(shè)計(jì)研究

李衛(wèi)寧，張國(guó)慶，吳言鳳

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

某型艦船武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)某型艦船武器發(fā)控系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)急發(fā)射武器，對(duì)武器進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定并控制發(fā)射的任務(wù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，武器供電電源的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，既要滿(mǎn)足硬件接口的需求，又要達(dá)到系統(tǒng)軟件控制輸出所需電壓的目的。本文根據(jù)硬件設(shè)計(jì)原則，確定硬件系統(tǒng)的功能，最后在可靠性分析和設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行選型和可靠性設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合設(shè)備工作環(huán)境及使用的特殊性，設(shè)計(jì)中充分考慮系統(tǒng)的科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性、實(shí)用性和可靠性。在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行最優(yōu)化，提高武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)的通用性和智能化，最大限度降低電磁干擾的影響。在保證系統(tǒng)性能的前提下，盡量縮小設(shè)備的體積，合理布局。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮以下設(shè)計(jì)原則［1］:標(biāo)準(zhǔn)化原則;安全性、可靠性原則;實(shí)用性和擴(kuò)展性原則;體積最優(yōu)化原則。

2 功能設(shè)計(jì)

針對(duì)設(shè)計(jì)需求，該供電電源的硬件應(yīng)具有下列功能和要求:能通過(guò)主控計(jì)算機(jī)的RS－232C串口控制武器的電源系統(tǒng)，由連接的電纜給武器按程序供電;各種環(huán)境指標(biāo)、電氣指標(biāo)符合軍用設(shè)備的要求;硬件系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)在可以接受的范圍之內(nèi)。

3 武器供電電源硬件組成設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

某型艦船交流電網(wǎng)路采用逆變電源供電，為提高效率，對(duì)用電設(shè)備必須做到低損耗、低干擾及低噪聲。因此在本電源選型時(shí)，選擇采用技術(shù)成熟的PFC(主動(dòng)式功率因數(shù)校正)、高速M(fèi)OSFET管驅(qū)動(dòng)諧振式開(kāi)關(guān)電源。其主要特點(diǎn)是功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，總諧波失真 (THD)小于10%，減少了電網(wǎng)的無(wú)功損耗及電磁干擾。采用PFC的電源具有很寬的交流電壓輸入范圍 (85～265 V)，這在一定程度上為電壓不穩(wěn)留有余量，對(duì)電源運(yùn)行的可靠性顯得尤為重要，同時(shí)采用LLC諧振式結(jié)構(gòu)，降低了開(kāi)關(guān)變壓器和MOSFET管的損耗，電源的效率可達(dá)90%以上，提高了艦船電網(wǎng)的利用率。

根據(jù)需要設(shè)計(jì)該系統(tǒng)電源主要由EMI(輸入電磁干擾濾波器)電路、PFC控制電路、PWM(脈沖寬度調(diào)制技術(shù))控制電路及各種保護(hù)電路組成，可以由工控機(jī)輸出的脈沖電壓信號(hào)控制固態(tài)繼電器輸出，獲得3路穩(wěn)定的直流27 V輸出。某型艦船武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)的武器供電電源，其組成方框圖如圖1所示。

圖1 武器供電電源組成圖

3.2 供電電源模塊功能及可靠性設(shè)計(jì)措施

以下是圖1中各模塊的功能、部分電路圖及可靠性設(shè)計(jì)措施。

1)浪涌抑制保護(hù)電路。電網(wǎng)中的用電設(shè)備在開(kāi)、關(guān)或電流突變時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓，在輸入電路兩端加壓敏電阻，浪涌電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過(guò)大，會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲以保護(hù)后級(jí)電路。設(shè)計(jì)的保護(hù)電路原理圖如圖2所示［2－4］。當(dāng)有高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí)，由壓敏電阻RV和熔斷器FU組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過(guò)大，F(xiàn)U會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。在開(kāi)機(jī)瞬間，由于C13通過(guò)R13充電，VT7柵極電位不能立即建立，VT7不導(dǎo)通，輸入電流通過(guò)R17限流，時(shí)間常數(shù)為R13×C13。隨著C13的充電，VT7的柵極電位逐漸建立，并被穩(wěn)壓二極管VD5鉗位，VT7處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，R17兩端接近短路，從而起到開(kāi)機(jī)瞬間限制輸入浪涌電流的作用。此電路的優(yōu)點(diǎn)是正常工作時(shí)，損耗小，快速可靠，而采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的保護(hù)電路，熱敏電阻維持在發(fā)熱狀態(tài)，斷電后降低溫度需一定時(shí)間，連續(xù)通斷時(shí)，限流作用可能失效。

圖2 浪涌抑制保護(hù)電路圖

2)EMI電路。由安規(guī)電容和差模電感組成雙級(jí)Π型濾波網(wǎng)絡(luò)，主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源產(chǎn)生干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)造成干擾。電路原理圖如圖3所示。由于PFC、PWM電路工作在不同的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為了降低對(duì)電網(wǎng)的奇次諧波干擾，可增加Π型濾波級(jí)數(shù)。

圖3 EMI濾波電路原理圖

3)整流、濾波電路。在電源中共有2部分，分別是輸入端整流濾波和輸出端整流濾波電路。輸入端濾波后的交流電經(jīng)全橋整流后，由高頻濾波電容濾波，旁路PFC電流回路的高頻成分。輸出端整流濾波電路如圖4所示。用于將開(kāi)關(guān)變壓器輸出的高頻交流電轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)的直流電，由肖特基二極管VD6、VD7和固態(tài)電解電容器C20組成。肖特基二極管具有低壓降、低功耗、大電流、超高速的優(yōu)點(diǎn)，固態(tài)電容具備環(huán)保、低阻抗、高低溫穩(wěn)定、耐高紋波等優(yōu)越特性，且導(dǎo)電性、頻率特性及壽命均佳，適用于高頻、低電壓、大電流的應(yīng)用。

圖4 輸出整流、濾波電路圖

4)PFC控制電路。由集成控制芯片實(shí)現(xiàn)，以升壓型高頻有源PFC功率變換為基礎(chǔ)，通過(guò)控制高頻功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的占空比，強(qiáng)制輸入電流跟蹤輸入電壓，實(shí)現(xiàn)正弦化，并與輸入電壓同步，功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，為減少諧波失真，采用單周期控制方式，工作在固定頻率 (100kHz)和連續(xù)傳導(dǎo)模式，總諧波失真 (THD)小于10%。常用可選的芯片有NCP1650、IR1150、MC33262、L6563、UCC28070等。使用IR1150芯片的PFC控制電路如圖5所示。

PFC功率因數(shù)校正電路由柵極驅(qū)動(dòng)電路、高頻MOSFET功率開(kāi)關(guān)管、升壓電感和輸出電容組成，選擇合適的器件以降低損耗，減小輸出紋波。

5)PWM控制電路。PWM(pulse width modulation)控制是一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。目前，隔離型PWM控制的變換器其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有正激式、反激式、推挽式和諧振式等，其中，諧振式變換器具有效率高、輸出紋波小、濾波簡(jiǎn)單、負(fù)載可調(diào)范圍大等特點(diǎn)?？蓱?yīng)用的控制芯片有TL494、SG3525、IR2086、LM5041、 MAX5069、 ISL6752、NCP1396等。

本系統(tǒng)電源擬采用安森美半導(dǎo)體的半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器NCP1396，電路原理圖如圖6所示。它內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，可高壓直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，為構(gòu)建可靠及穩(wěn)固的諧振模式開(kāi)關(guān)電源提供了所有必需功能，具有極低的待機(jī)能耗。它的關(guān)鍵特性包括:50kHz～1.0MHz的寬廣頻率范圍、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間 (dead time)、可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)、可調(diào)節(jié)的最小和最大頻率漂移、低啟動(dòng)電流、欠壓檢測(cè)、可調(diào)節(jié)的故障定時(shí)器間隔和跳周期可能性等。

6)輸出電壓取樣電路。對(duì)直流27 V輸出電壓進(jìn)行電阻分壓取樣與基準(zhǔn)電壓比較，差壓放大后，通過(guò)光電耦合器送PWM控制電路，調(diào)整輸出的占空比獲得穩(wěn)定的輸出電壓。如圖7電路中由R38、R41分壓取樣，與穩(wěn)壓集成電路IC3內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓比較，經(jīng) R36、R37和光電耦合器 GO1送到NCP1396的PWM控制輸入端。

另外，電源中還設(shè)計(jì)了采用NCP1396控制芯片［4］的柵極驅(qū)動(dòng)電路，輕松實(shí)現(xiàn)跳周期模式來(lái)改善待機(jī)能耗以及空載時(shí)的工作效率。采用MXO－2000鎳鋅鐵氧體E型磁芯的高頻變壓器作開(kāi)關(guān)變壓器，具有漏感小、磁耦合性能好、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電壓的變換和隔離，直接影響著電源的轉(zhuǎn)換效率。采用JGC型直流固態(tài)繼電器 (SSR)，其特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)，隔離性能好，不產(chǎn)生干擾和串?dāng)_，驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，體積小來(lái)自工控機(jī)的控制信號(hào)能可靠隔離、快速控制直流27 V的輸出。塊，主要包括浪涌抑制保護(hù)電路、EMI電路、半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的PWM控制電路、整流濾波電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路，以及鎳鋅鐵氧體E型磁芯的開(kāi)關(guān)變壓器、JGC型直流固態(tài)繼電器等先進(jìn)的電子器件，能充分滿(mǎn)足可靠的輸入穩(wěn)壓、調(diào)流，穩(wěn)定輸出需要電壓的直流電對(duì)某型武器發(fā)射前提前供電，并且對(duì)艦船的電網(wǎng)干擾少，損耗小。滿(mǎn)足了武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)對(duì)武器供電電源的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

圖5 PFC控制電路圖

圖6 PWM控制電路圖

圖7 NCP1396輸出保護(hù)監(jiān)測(cè)電路圖

電源中還有輸入過(guò)、欠壓保護(hù)及取樣電路和輸出取樣、過(guò)壓保護(hù)電路，從而保護(hù)后級(jí)電路并控制高頻功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的占空比獲得穩(wěn)定的高壓輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型艦船武器應(yīng)急發(fā)控系統(tǒng)電源的功能分析，結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)了電源的電路模

［1］陳錫輝，張銀鴻.labVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［2］開(kāi)關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì).http://www.ee365.cn，2010.11.

［3］開(kāi)關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)研究 ［J/OL］.http://wenku.baidu.com/view/，2010.11.

［4］劉勝利，李龍文.高頻開(kāi)關(guān)電源新技術(shù)應(yīng)用 ［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.