飛機座椅電源系統(tǒng)的設(shè)計與驗證研究

胡毅克，任仁良，胡 敏，胡維綱

（1.廣州飛機維修工程有限公司，廣州 510470；2.中國民航大學(xué) a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.航空自動化學(xué)院，天津 300300；3.成都唐音科技有限公司，成都 610041）

飛機座椅電源系統(tǒng)的設(shè)計與驗證研究

胡毅克1，任仁良2a，胡 敏3，胡維綱2b

（1.廣州飛機維修工程有限公司，廣州 510470；2.中國民航大學(xué) a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.航空自動化學(xué)院，天津 300300；3.成都唐音科技有限公司，成都 610041）

在民航客機上使用包括便攜式計算機在內(nèi)的個人移動電子設(shè)備(PED）是必然趨勢.討論了專門為PED供電的飛機座椅電源(ISPS）及其控制器(MCU）設(shè)計和驗證；采用SPWM純正弦波逆變技術(shù),將飛機115/200 V/400 Hz電源變換成交流110 V/60 Hz和直流5V(USB口）電源,降低了THD并提高了轉(zhuǎn)換效率.大量驗證表明,該電源可靠、安全、高效,并已取得中國民航局頒發(fā)的PMA證書.

民航客機；PED供電P；SPWM；驗證；PMA證書

隨著便攜式電子設(shè)備PED（portable electronic device）的普及和信息技術(shù)的發(fā)展，在飛機上能使用便攜式計算機等個人電子設(shè)備、能上網(wǎng)已經(jīng)成為旅客的迫切需求。飛機座椅電源系統(tǒng)就是將飛機電源115/200 V/400 Hz電源變換成交流110 V/60 Hz和直流5V（USB口充電）為PED提供電源。目前新生產(chǎn)的民航客機都裝有該系統(tǒng)。近幾年來，世界各大航空公司和中國的南航、國航、海航等航空公司紛紛對現(xiàn)有飛機進行改裝，以滿足旅客需求。

飛機座椅電源系統(tǒng)由座椅電源控制器MCU（master control unit）、座椅電源ISPS（in-seat power supply）、輸出插座OU（outlet）和使用指示燈IUL（in-use light）組成，如圖1所示。每個座椅電源控制器MCU最多可以控制5組座椅電源ISPS，每組ISPS之間采用級聯(lián)方式連接（最多5個），以滿足負(fù)載三相平衡的要求（見圖1），每個ISPS可以給2～4個插座和USB供電，每個座椅電源有1個供電指示燈。不同機型座椅布局和電源配置要求不同，所使用的MCU、ISPS和OU的數(shù)量也不一樣。例如，國內(nèi)某航空公司的A330飛機配有5臺MCU、93臺ISPS和155個OU。

目前，飛機座椅電源系統(tǒng)主要有美國的Astronics公司和空客Kid公司生產(chǎn)[1-2]，價格十分昂貴。本文主要討論由作者團隊自行研制的飛機座椅電源系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和實驗驗證方法。

圖1 飛機座椅電源系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of aircraft in-seat power supply system

1 MCU設(shè)計

座椅電源控制器MCU主要功能是為座椅電源及其他座椅用電設(shè)備（如娛樂設(shè)備和座椅作動器等）提供電源的管理和分配。MCU具有5路輸出通道獨立的通斷控制和功率限制功能，同時具備IFE（in-flight entertainment）機上娛樂系統(tǒng)局域網(wǎng)組網(wǎng)通信功能，參與CIDS（cabin intercommunication data system）系統(tǒng)通訊，可通過RS232數(shù)據(jù)接口對MCU進行控制和狀態(tài)監(jiān)測。MCU還具有輸出過載、漏電（GFI）、過欠壓、過熱等保護功能。其原理框圖如圖2所示。

將飛機上的三相115V/400HZ的飛機電源，經(jīng)過EMI濾波，為5通道提供獨立輸出的115V/400HZ三相交流電。MCU由7個微處理器（microprocessor）負(fù)責(zé)用電參數(shù)的測量、運算和控制，采用主從結(jié)構(gòu)，其中1個為主處理器（host processor），其他為從處理器（slave processor）。每個通道有一個處理器主要負(fù)責(zé)電壓、電流、GFI的測量，當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓、過流或漏電時，切斷該通道的輸出，并向主處理器發(fā)出狀態(tài)信號；輸入監(jiān)控處理器主要負(fù)責(zé)電源輸入質(zhì)量監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓、或嚴(yán)重波動時，斷開電源輸入接觸器；主處理器主要負(fù)責(zé)與其他飛機系統(tǒng)通信如IFE等連接，接收駕駛員指令和飛機系統(tǒng)信號如客艙失壓、襟縫翼放下等信號（停止向PED供電），接收其他處理器的狀態(tài)信息并向其他處理器發(fā)出指令。

功率限制功能的實現(xiàn)主要通過DTMF和三態(tài)驅(qū)動器來發(fā)出指令，通知ISPS。當(dāng)飛機或系統(tǒng)出現(xiàn)某些問題時，需要對用電進行限制，原則是已經(jīng)開始用電的PED設(shè)備，可以繼續(xù)供電，尚未插上電源的PED不予供電，電路原理如圖3所示。

從圖2可以看出，MCU給ISPS供電只有1根控制線（電源中線接地），采用DTMF（dual tone multi frequency）可發(fā)送多項指令，主要用于座椅其他用電設(shè)備如娛樂系統(tǒng)。對ISPS用電壓的三態(tài)（電壓高、中、低）來發(fā)控制信號，如圖3所示。由通道處理器的2個信號來控制，當(dāng)通道處理器發(fā)出信號都是高電平時，放大器輸出低電平，Q6導(dǎo)通、Q4截止，輸出低電壓（0～6.5 V），允許ISPS向外供電；當(dāng)通道處理器發(fā)出信號都是低電平時，放大器輸出高電平，Q6截止、Q4導(dǎo)通，輸出高電壓（17.5～28 V），ISPS停止供電；當(dāng)通道處理器發(fā)出信號一個高電平一個低電平時，放大器輸出中間電平，Q6、Q4工作在放大區(qū)，輸出中間電壓（9.5～14.5V），ISPS限制供電；Q5起限流作用，當(dāng)Q6導(dǎo)通且電流達到一定值時，電阻R上的電壓使Q5開始導(dǎo)通，使Q4的輸出電流不再繼續(xù)增大。

圖2 MCU原理框圖Fig.2 Schematic diagram of MCU

圖3 DTMF和三態(tài)驅(qū)動器原理電路圖Fig.3 Schematic diagram of DTMF and three-state driver

2 ISPS設(shè)計

ISPS主要功能是將AMCU輸入的115V/400Hz單相交流電源變換成4路交流：110 V/60 Hz工頻電源輸出、1路直流28 V輸出（向座椅的其他設(shè)備供電）和2路直流5 V輸出，總輸出功率容量為250 VA。其中，交流單路輸出功率容量為150 VA，交流總輸出功率容量為225 VA；直流28 V總功率容量為135 W；直流5 V總功率容量為15 W。采用全隔離設(shè)計，具有過流、過壓、欠壓、GFI、過熱保護功能。原理框圖如圖4所示。

輸入ISPS的單相115 V/400 Hz電源首先經(jīng)過EMI濾波器后進行PFC功率因素校正，整流濾波后變成直流電。通過DC/DC變換，產(chǎn)生穩(wěn)定的28 V和5 V直流電。通過純正弦波形式的PWM脈寬調(diào)制控制，實現(xiàn)交流輸出純正弦波[3]。交流轉(zhuǎn)換電路輸出通過濾波網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對輸出雜訊與干擾的濾除。

圖4 ISPS原理框圖Fig.4 Schematic diagram of ISPS

輸出插座OU從ISPS獲取110 V/60 Hz交流電和5 V直流電，并與ISPS有信號聯(lián)系。為防止乘客意外觸電，OU內(nèi)部設(shè)置有保護裝置，只有當(dāng)插孔正確插入時，ISPS接收到信號才輸出交流電。同時OU上設(shè)置有狀態(tài)指示燈，綠色表示有效可用狀態(tài)，紅色表示故障狀態(tài)。

DC/AC采用GS002正弦波逆變器專用驅(qū)動模塊[4]，該模塊包括 SPWM正弦波逆變器專用芯片EG8010，驅(qū)動芯片采用2片IR2110S和過載保護芯片LM393。由功率場效應(yīng)管組成的H橋進行逆變，為減輕重量不采用輸出變壓器，如圖5所示。EG8010是一款數(shù)字化、功能完善、自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，外接12 MHz晶體振蕩器，能實現(xiàn)高精度、失真和諧波都很小的純正弦波50 Hz或60 Hz逆變器專用芯片。該芯片采用CMOS工藝，內(nèi)部集成SPWM正弦發(fā)生器、死區(qū)時間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動電路、保護電路和RS232串行通訊接口等功能，并采用峰值點采樣輸出電壓，具有穩(wěn)壓精度高、電壓調(diào)整速度快，當(dāng)某種原因?qū)е螺敵鲭妷喊l(fā)生偏離如負(fù)載變化或輸入電壓波動等因數(shù)時，EG8010能在1～3個交流電周期內(nèi)調(diào)整到期望的輸出電壓。

3 實驗驗證

產(chǎn)品設(shè)計完成后，必須獲得中國民航局批準(zhǔn)的PMA（part manufacture approval）證書，才能安裝在民航飛機上使用。取證需要做大量的驗證和實驗，主要包括功能驗證、環(huán)境試驗和裝機實驗3個方面。

3.1 功能驗證

功能驗證必須滿足座椅電源系統(tǒng)原生產(chǎn)廠家OEM（original equipment manufacturer）設(shè)備[1-2]的所有功能，達到產(chǎn)品設(shè)計要求和各項性能指標(biāo)，能實現(xiàn)各種保護功能如過壓、欠壓、過載、短路、GFI等。

圖5 SPWM DC/AC逆變原理圖Fig.5 Schematic diagram of SPWM DC/AC inverter

3.2 環(huán)境試驗

環(huán)境試驗須滿足DO160G[5]的要求。需完成13大類、42項實驗，其中電源輸入試驗還須滿足ISO1540-2006[6]機載用電設(shè)備的要求。試驗至少包括溫度、高度（壓力）、濕熱、工作沖擊和墜撞安全、振動、磁影響、電源輸入、電壓尖峰、電源線音頻傳導(dǎo)敏感性、感應(yīng)信號敏感性、射頻敏感性、射頻能量發(fā)射和靜電放電試驗等。

3.3 裝機實驗

裝機實驗須滿足中國民用航空規(guī)章CCAR-25-R4飛機電子系統(tǒng)電磁干擾性的要求，驗證座椅電源系統(tǒng)在帶載情況下對飛機自動飛行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指示和記錄系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、飛行操縱系統(tǒng)、燃油量指示系統(tǒng)、發(fā)動機指示系統(tǒng)、客艙娛樂系統(tǒng)、EGWPS、備用磁羅盤、ACARS信息等的影響。驗證時需啟動兩臺發(fā)動機。

4 結(jié)語

飛機座椅電源系統(tǒng)研制成功后，通過了各種試驗的考核，并取得中國民航局頒發(fā)的PMA證書，打破了國外廠家對該產(chǎn)品的壟斷。在許多關(guān)鍵指標(biāo)上超過國外同類設(shè)備，如MCU重量比國外同類產(chǎn)品輕0.5 kg，ISPS的電能轉(zhuǎn)換效率比國外同類產(chǎn)品高6%、滿載失真度（THD）僅為1.6%，比國外同類產(chǎn)品低1.4%；MCU/ISPS實現(xiàn)機上手持設(shè)備在線BITE和軟件更新。該座椅電源系統(tǒng)已經(jīng)安裝在南航和海航飛機上，運行情況良好。

[1]Astronics Advanced Electronic Systems.Component Maintenance Manual with Illustrated Parts List[K].

[2]Astronics Advanced Electronic Systems.Component Maintenance Manual，Part Number 1248-10[K].

[3]任仁良，熊 偉.飛機座椅電源的研究[J].電力電子技術(shù)，2012，46（2）：32-34.

[4]屹晶微電子有限公司.EG8010SPWM芯片數(shù)據(jù)手冊V2.2[K].

[5]RTCA Inc.DO160G Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].Washington DC：RTCA Inc，2010.

[6]ISO1540-2006，Aerospace-Characteristics of Aircraft Electrical Systems[S].

（責(zé)任編輯：黨亞茹）

Research on design and verification of aircraft in-seat power supply system

HU Yi-ke1，REN Ren-liang2a，HU Min3，HU Wei-gang2b
（1.GAMECO，Guangzhou 510470，China；2a.Engineering Techniques Training Centre；2b.College of Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China；3.Chengdu Tone Technology Co.Ltd.，Chengdu 610041，China）

It is a tendency to use PED（portable electronic device）including laptops on board of civil aircraft.The design and verification of in-seat power supply（ISPS）and its management control unit（MCU）for PED power supply are discussed.The SPWM pure sine wave technology has been adopted to convert 115/200V400Hz aircraft power to AC 110 V 60 Hz and DC 5 V（USB）.Thus，THD is reduced and convert efficiency is increased.Lots of tests verifies the design，showing that the power is reliable，safe and highly efficient.PMA certificates are obtained from CAAC airworthiness authority.

civil aircraft；PED power supply；SPWM；verification；PMA certificate

V223

:A

:1674-5590(2015)01-0045-05

2013-11-20；

:2013-12-10

中國民用航空局科技基金項目（MHRD201003）；中國民用航空局民航行業(yè)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)重大項目（2014）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（3122014D035）

胡毅克（1962—），男，廣東廣州人，工程師，碩士，研究方向為飛機電氣技術(shù)和維修工程.