一種嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)急電源切換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 凱，千鴻哲，賀治飛，田育新

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

對(duì)于機(jī)上主電源和蓄電池應(yīng)急電源的掉電切換，正常情況下不從蓄電池用電，不向蓄電池供電。只有機(jī)上主電源掉電切換到蓄電池應(yīng)急電源時(shí)，使用蓄電池的應(yīng)急供電，在此期間若機(jī)上主匯流條恢復(fù)，則應(yīng)立即切換為機(jī)上主匯流條供電，減少蓄電池應(yīng)急電源的不必要使用[1]。該要求的核心在于切換要及時(shí)迅速，即在切換過程中后端負(fù)載模塊不能出現(xiàn)掉電重啟或其他工作不正常的現(xiàn)象，要保證后端負(fù)載模塊平穩(wěn)過渡，且當(dāng)機(jī)上主匯流條恢復(fù)時(shí)要立刻切換回主匯流條供電。針對(duì)該需求，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證檢測電路及時(shí)準(zhǔn)確，真實(shí)快速反映機(jī)上主匯流條的變化，同時(shí)還需濾除因環(huán)境干擾和線路抖動(dòng)而引起的掉電尖刺。此外，切換要及時(shí)迅速。當(dāng)檢測到機(jī)上主匯流條掉電時(shí)，要迅速進(jìn)行切換，供電由主匯流條迅速切換到蓄電池供電線路。由于切換的瞬間電子元器件有切換動(dòng)作時(shí)間，為保證在切換期間后端負(fù)載工作正常，因此要設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電容，保證在機(jī)上主匯流條已掉電但應(yīng)急蓄電池還未切換到位的時(shí)間內(nèi)，后端負(fù)載模塊還有儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的電量可用，可以正常平穩(wěn)過渡到供電切換到應(yīng)急蓄電池的線路上[2]。

1 應(yīng)急電源切換控制系統(tǒng)

為了滿足上述工作要求，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載應(yīng)急電源切換控制系統(tǒng)，包括電壓檢測電路、隔離驅(qū)動(dòng)控制電路以及有源功率開關(guān)電路，整體框架如圖1所示。

電壓檢測電路由比較器和基準(zhǔn)源組成，當(dāng)機(jī)上主電低于掉電門檻時(shí)，發(fā)送切換控制信號(hào)給隔離控制驅(qū)動(dòng)電路。隔離控制電路主要由隔離光耦（N1）、場效應(yīng)管（V3）、穩(wěn)壓管（V4）、電阻（R3、R4）以及驅(qū)動(dòng)器（G1、G2）組成。當(dāng)收到掉電信號(hào)時(shí)，N1導(dǎo)通，V3的柵極電壓變低，V3不通，G1、G2的控制管腳電壓變低，G1、G2發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。有源功率開關(guān)電路主要由大功率、低內(nèi)阻的場效應(yīng)管（V1、V2）組成。當(dāng)收到G1、G2發(fā)出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)時(shí)，V1、V2導(dǎo)通，應(yīng)急電源通過V1、V2向主回路供電。V1的源極和V2的漏極相連，當(dāng)主電源正常工作時(shí)，應(yīng)急電源被V1隔斷，主電源被V2隔斷，從而保證了在正常工作時(shí)主電源既不向應(yīng)急蓄電池充電，同時(shí)又不從應(yīng)急蓄電池用電。只有當(dāng)主電源電壓故障時(shí)，應(yīng)急蓄電池電壓才會(huì)經(jīng)過一系列的控制通過V1、V2向主回路供電。當(dāng)主回路電壓恢復(fù)時(shí)，關(guān)斷V1、V2，應(yīng)急電源不再供電[3-5]。

2 詳細(xì)分析

實(shí)際應(yīng)用中檢測電路有兩路，分別檢測左發(fā)匯流條和右發(fā)匯流條。輸入電壓經(jīng)過分壓電阻分壓進(jìn)入到比較器的正端，比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)輸出。機(jī)上輸入電壓正常時(shí)，比較器的正端電壓高于負(fù)端，比較器輸出為高，控制后端連接的光耦初級(jí)導(dǎo)通，光耦次級(jí)（輸入電壓檢測信號(hào)）輸出為低。將輸入電壓檢測信號(hào)接入到控制器，在控制器里進(jìn)行邏輯判斷[6]。當(dāng)匯流條輸入電壓正常時(shí)，比較器正端的輸入電壓大于負(fù)端基準(zhǔn)電壓值，比較器不翻轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入電壓掉到正常工作電壓的下限時(shí)，比較器正端電壓小于負(fù)端基準(zhǔn)電壓值，比較器翻轉(zhuǎn)。根據(jù)光耦的電流傳輸比（Current Transfer Ratio，CTR）和導(dǎo)通電流選擇合適的原邊限流電阻，保證光耦在任何外部環(huán)境下都能正常導(dǎo)通。

電壓檢測電路可以有效檢測到輸入電壓的變化，及時(shí)將輸入電壓的變化傳遞到后級(jí)控制器，且可以濾除短時(shí)線路干擾，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)隔離。電路選用元器件的動(dòng)作時(shí)間均在微秒級(jí)別，可以快速將前端輸入電壓的變化反饋到后端控制器，供后端的控制器及時(shí)了解匯流條電壓的變化并進(jìn)行相應(yīng)控制。該電路在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際的電壓變化調(diào)節(jié)相應(yīng)的元器件參數(shù)，以適應(yīng)不同的供電體系。根據(jù)線路可能產(chǎn)生干擾的時(shí)間，調(diào)節(jié)并聯(lián)濾波電容的容值大小。但該電容的容值不能過大，容值過大會(huì)導(dǎo)致前面輸入電壓已掉電而濾波電容上的電壓在緩慢掉電，導(dǎo)致電壓檢測電路未來得及翻轉(zhuǎn)，輸入電壓早已低于正常的工作范圍，無法維持后端電路正常工作。同時(shí)由于輔助電源需要向檢測電路的比較器和基準(zhǔn)供電，而此輔助電源由前端輸入電壓變換而來，因此輔助電源的輸入電壓范圍要寬，保證即使后端電路已無法正常工作，輔助電源仍能正常工作[7]。

檢測輸入電壓的電路將檢測信號(hào)輸入到后端控制器，后端控制器經(jīng)過比較判斷后發(fā)出切換信號(hào)。圖1中的光耦N1收到切換信號(hào)后導(dǎo)通，將場效應(yīng)管V3的柵極驅(qū)動(dòng)電壓拉低，導(dǎo)致場效應(yīng)管V3截止關(guān)斷，使控制電路G1的使能信號(hào)變高，控制電路G1為N溝道場效應(yīng)管V1驅(qū)動(dòng)器，輸出場效應(yīng)管V1的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，該驅(qū)動(dòng)器G1由應(yīng)急輸入電壓直接供電，為防止應(yīng)急輸入電壓線路上有電壓抖動(dòng)，在其輸入端并聯(lián)TVS管，保護(hù)G1避免因電壓尖刺而損壞。為防止驅(qū)動(dòng)器G1輸出的驅(qū)動(dòng)電壓震蕩，在其輸出通道上串聯(lián)10 Ω的電阻。為防止場效應(yīng)管V1的GS端因過壓而損壞，在場效應(yīng)管V1的GS端并聯(lián)一穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管的擊穿電壓值為20 V左右，根據(jù)實(shí)際電路的應(yīng)用環(huán)境，為避免在飽和導(dǎo)通時(shí)造成V1振蕩，柵源極寄生電容不能過大[8,9]。V1選用N溝道場效應(yīng)管，二極管的電壓走向由源級(jí)S到漏極D。根據(jù)二極管的反向截止特性，在初始狀態(tài)下匯流條輸入電壓正常，控制器接收到正常的檢測信號(hào)，光耦N1不導(dǎo)通，場效應(yīng)管V3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器G1的使能信號(hào)變低，V1不導(dǎo)通，應(yīng)急輸入電壓被截止在V1的漏極D，應(yīng)急電源不供電。當(dāng)匯流條的輸入電壓降低到低于正常的工作電壓范圍時(shí)，檢測電壓電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)并將檢測信號(hào)輸入到控制器，控制器接收到檢測信號(hào)后通過比較判定輸入電壓不正常，發(fā)出應(yīng)急切換信號(hào)。應(yīng)急切換信號(hào)輸入到光耦N1，光耦N1導(dǎo)通將場效應(yīng)管V3的驅(qū)動(dòng)電壓拉低，場效應(yīng)管V3處于截止?fàn)顟B(tài)，場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器G1、G2的使能信號(hào)有效，場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器G1輸出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管V1導(dǎo)通。V1導(dǎo)通后，輸入到N溝道場效應(yīng)管V2的源級(jí)S，同時(shí)向驅(qū)動(dòng)器G2供電，G2供電管腳的電路和G1一致。由于場效應(yīng)管V2的連接方向和V1相反，因此V2直接導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器G2的使能信號(hào)有效，則G2立即輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管V2由體二極管導(dǎo)通狀態(tài)迅速過渡為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。V2飽和導(dǎo)通，應(yīng)急電源向后端開始供電，在匯流條掉電的情況下能無間斷地保證后端正常工作。場效應(yīng)管V2的連接方向?yàn)樵醇?jí)到漏極，這種連接方式可以保證在匯流條正常工作時(shí)，場效應(yīng)管V2漏極D處的電壓不會(huì)通過V2和V1向應(yīng)急蓄電池反向供電，影響蓄電池的正常工作。這樣既保證應(yīng)急蓄電池的電壓不會(huì)不受控地向后端供電，又保證了后端電壓不會(huì)不受控地向應(yīng)急蓄電池供電，提升了應(yīng)急蓄電池的穩(wěn)定性[10]。

3 結(jié) 論

由于應(yīng)急蓄電池儲(chǔ)存的能量有限，因此必須確保在飛機(jī)主匯流條徹底掉電時(shí)才可使用應(yīng)急電源，在機(jī)上匯流條正常時(shí)嚴(yán)禁偷電，保證應(yīng)急電源在有限的條件下為最需要電源的裝置供電。通過設(shè)計(jì)應(yīng)急電源切換控制系統(tǒng)能夠在主供電掉電的情況下及時(shí)對(duì)應(yīng)急蓄電池電源進(jìn)行切換，保證了后端負(fù)載模塊正常工作，對(duì)于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及可靠性具有重要的意義。