機(jī)載綜合CNI系統(tǒng)的多通道電源模塊設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘要：某型號機(jī)載通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)由載機(jī)提供28V電源，對各個功能模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，為保證系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊的工作電壓穩(wěn)定與統(tǒng)一，各個功能模塊不再直接接入載機(jī)電源系統(tǒng)，綜合CNI系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)電源模塊，轉(zhuǎn)換為各個功能模塊需要的工作電壓。根據(jù)電源模塊主要功能和技術(shù)指標(biāo)，對電源模塊總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述了電源轉(zhuǎn)換功能、輸入短路保護(hù)電路、設(shè)計(jì)尖峰電壓抑制電路、工作狀態(tài)檢測功能、50ms轉(zhuǎn)電維持電路等重點(diǎn)功能設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了符合性對比，研究表明，該電源模塊方案能有效滿足系統(tǒng)使用需求。

關(guān)鍵詞：CNI；多通道；電源模塊

中圖分類號：TN802;V24" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）18-0089-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著微電子技術(shù)和集成電路科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備的復(fù)雜度日益增加，對其供電系統(tǒng)的要求也相應(yīng)提高。CNI系統(tǒng)主要完成載機(jī)與地面的話音及數(shù)據(jù)通信、無線電導(dǎo)航、精密測距等多個功能，這使其成為航電設(shè)備的重要組成部分。CNI一般采用大規(guī)模集成電路，對各個功能端機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，然而由于系統(tǒng)包括多個功能，因此內(nèi)部各種功能模塊的工作電壓需求不同，如果各個功能模塊直接接入載機(jī)電源系統(tǒng)，電源設(shè)計(jì)將很復(fù)雜，并影響載機(jī)總電源的穩(wěn)定性。因此為了滿足綜合CNI系統(tǒng)不同功能模塊的供電要求，需要設(shè)計(jì)二次電源對機(jī)載電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換[1]。

CNI系統(tǒng)采用電源模塊作為二次電源，將機(jī)載電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部各模塊使用的電壓。電源模塊主要實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、輸入短路保護(hù)、尖峰電壓抑制、50ms轉(zhuǎn)電維持、浪涌電壓抑制、電源沖擊電流抑制等功能。電源模塊決定了整個CNI系統(tǒng)內(nèi)部電源的穩(wěn)定性，繼而影響整個CNI系統(tǒng)功能性能的實(shí)現(xiàn)，因此電源模塊的設(shè)計(jì)極為重要。本文對某型號高級教練機(jī)CNI系統(tǒng)多通道電源模塊的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和論述[2]。

1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)機(jī)載供電要求，合CNI系統(tǒng)的供電拓?fù)鋱D見圖1。根據(jù)機(jī)載電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，飛機(jī)提供3路+28V電源。系統(tǒng)后端模塊工作電壓分別為一路24V，兩路5V。即電源模塊需要將直流28V輸入變換為3組直流輸出。

電源模塊主要功能要求：

1） 實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能；

2） 實(shí)現(xiàn)輸入短路保護(hù)功能；

3） 實(shí)現(xiàn)尖峰電壓抑制功能；

4） 具備故障檢測上報(bào)功能；

5） 電壓變換通道二具備50ms轉(zhuǎn)電維持功能。

如圖2所示，電源模塊主要由輸入短路保護(hù)電路、尖峰電壓抑制電路、輸入濾波電路、電壓變換電路、輸出濾波電路、輸出防倒灌電路、加電控制電路及電壓檢測電路等部分組成[3]。輸入短路保護(hù)電路：在過流或短路情況出現(xiàn)時(shí)，保險(xiǎn)絲會熔斷以保護(hù)后級模塊。輸入濾波電路：用于 EMI 濾波、防雷和尖峰電壓抑制作用。電壓變換電路：分別將兩路 28V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為兩路 28V 輸出給后級設(shè)備供電。輸出濾波電路：用于輸出端的濾波，減少紋波干擾[4]。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 電源電壓轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)

電壓轉(zhuǎn)換功能將28V直流電源轉(zhuǎn)換為三組直流輸出，性能指標(biāo)要求見表 1。

表1中的性能指標(biāo)提供了基于實(shí)際電源需求的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求。針對載機(jī)電源電壓變化范圍較寬的特點(diǎn)，電源模塊電壓轉(zhuǎn)換電路選取寬壓輸入、高效率的DC/DC模塊，保證系統(tǒng)在載機(jī)電源正常、非正常、應(yīng)急穩(wěn)態(tài)電壓下，正常穩(wěn)定可靠工作[5]。

3 個電壓變換通道輸入電壓特性一致，輸出功率要求分別為80W、250W、160W。電源模塊總輸出功率490W，功率密度高、散熱困難，所以選擇高效率的DC/DC變換器，減小功耗、降低電源模塊的溫升，從而提高可靠性，是電路設(shè)計(jì)中的首要考慮因素。各電壓變換器通道設(shè)計(jì)如下。

1） 變換器輸入電壓范圍設(shè)計(jì)為9～36V滿足輸入指標(biāo)16.5～32V的要求， 以及LDC501啟動電壓瞬變（12V電啟動要求）。

2） 通道1變換器功率為140W滿足指標(biāo)≥80W的要求，140W功率變換器可以保證后端負(fù)責(zé)正常啟動。通道2所選變換器功率為250W滿足指標(biāo)≥250W的要求。該輸出為兩路冗余輸出每路額定輸出250W，滿足指標(biāo)額定輸出功率250W要求。通道3所選變換器功率為150W滿足指標(biāo)≥150W的要求。

3） 所選變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍80%～110%，電路設(shè)計(jì)時(shí)可通過trim端調(diào)節(jié)輸出電壓，可滿足24.0～24.5V的指標(biāo)要求；

4） 所選變換器的電壓調(diào)整率≤0.2％，可滿足電源模塊源效應(yīng)≤1.0％的指標(biāo)要求；

5） 所選變換器的電流調(diào)整率≤0.5％，考慮輸出電路印制線及連接器壓降，設(shè)計(jì)時(shí)加寬輸出電路印制板走線、選擇合理的導(dǎo)線線徑，電源模塊可滿足負(fù)載效應(yīng)≤3.0％的指標(biāo)要求。

6） 所選變換器輸出紋波≤150mV，經(jīng)輸出濾波電路濾波處理后，輸出紋波≤60mV。滿足指標(biāo)≤100mV要求。

7） 電源模塊中選用的變換器內(nèi)部具有過熱保護(hù)功能，當(dāng)電源模塊內(nèi)部溫度超過過熱保護(hù)點(diǎn)時(shí)，DC/DC變換器停止工作，當(dāng)溫度降低至過壓溫保護(hù)點(diǎn)以下時(shí)，DC/DC變換器恢復(fù)工作。

主要指標(biāo)見表2。

2.2 輸入短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

輸入短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)主要目的是在當(dāng)電源模塊內(nèi)部輸入端發(fā)生短路時(shí)，可以及時(shí)與機(jī)載供電電源斷開，避免供電電源輸出端短路保護(hù)引起使用此供電電源的其他設(shè)備無法正常工作。本方案在電壓變換通道的最前端都設(shè)計(jì)了輸入短路保護(hù)電路，輸入短路保護(hù)功能使用熔斷器（保險(xiǎn)絲） 來實(shí)現(xiàn)[6]。

各路輸入端選用保險(xiǎn)絲指標(biāo)見表 3，選擇適當(dāng)額定值的熔斷器，以確保其能充分反映設(shè)計(jì)的安全指標(biāo)。

2.3 尖峰電壓抑制電路設(shè)計(jì)

尖峰電壓抑制電路旨在防止輸入電源在突然上電或下電時(shí)的異常電壓，以及過壓瞬變和欠壓瞬變時(shí)，產(chǎn)生過高尖峰觸發(fā)電源模塊故障或保護(hù)而無輸出。本方案中電源模塊的輸入端并聯(lián)有瞬態(tài)電壓抑制二極管V1及V2，可將輸入正端的600V尖峰電壓抑制到60V以下，輸入負(fù)端尖峰電壓抑制在36V以下，保證后級電路可正常工作。電路原理圖如圖 3所示[7]，圖中V1和V2分別為TVS管，C1為電容。

器件指標(biāo)見表 4。

2.4 工作狀態(tài)檢測功能設(shè)計(jì)

2.4.1 輸入檢測上報(bào)電路設(shè)計(jì)

輸入電壓狀態(tài)檢測用于監(jiān)測輸入電壓，并提供狀態(tài)反饋，監(jiān)測點(diǎn)位于儲能電容之前；上報(bào)邏輯：輸入電壓狀態(tài)信號接地，表示輸入電壓正常，輸入電壓狀態(tài)信號懸空，輸入電壓故障；輸入電壓上報(bào)使用故障上報(bào)信號1；數(shù)字地（DGND） 不與電源模塊外殼相連，數(shù)字地外部相連不影響電路正常工作；上報(bào)電路故障時(shí)，保證電源模塊正常工作[8]。

工作狀態(tài)檢測采樣電路檢測28V1_IN輸入電壓，通過光電耦合器隔離輸出狀態(tài)指示信號。當(dāng)被檢測的輸入電壓正常時(shí)，光耦的初級導(dǎo)通（電流約5.6mA） ，同時(shí)光耦的次級也都導(dǎo)通，狀態(tài)檢測信號接地，表示電源模塊輸入電壓正常；當(dāng)28V1_IN輸入電壓故障時(shí)，光耦不導(dǎo)通，狀態(tài)檢測信號懸空，表示電源模塊輸入故障。電路原理圖見圖 5。

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圖5" 輸出故障檢測及上報(bào)電路圖

2.4.2 輸出檢測上報(bào)電路設(shè)計(jì)

輸出電壓故障檢測：輸出電壓變換通道進(jìn)行故障檢測，由于每路電壓變換通道都是備份形式，因此故障檢測點(diǎn)位于每個防反灌電路之前。故障上報(bào)信號路數(shù)：3路（輸出） ，電壓變換通道1使用故障上報(bào)信號2，電壓變換通道2使用故障上報(bào)信號3、電壓變換通道3使用故障上報(bào)信號4。上報(bào)邏輯：故障上報(bào)信號接地，電壓變換通道正常，故障上報(bào)信號懸空，電壓變換通道故障；數(shù)字地（DGND） 不與電源模塊外殼相連，數(shù)字地外部相連不影響故障檢測上報(bào)電路正常工作；故障檢測上報(bào)電路故障時(shí)，保證電源模塊正常工作。

工作狀態(tài)檢測采樣電路檢測各電壓變換通道的輸出電壓，通過光電耦合器隔離輸出狀態(tài)指示信號。當(dāng)被檢測的輸出電壓正常時(shí)，所有光耦的初級都會導(dǎo)通（電流約5.6mA） ，同時(shí)光耦的次級也都導(dǎo)通，各狀態(tài)檢測信號為接地，表示電源模塊工作正常；當(dāng)其中某一路無輸出，其對應(yīng)的光耦不導(dǎo)通，狀態(tài)檢測信號中對應(yīng)的一路為懸空，表示電源模塊發(fā)生故障。電路原理圖見圖 6。

2.5 50ms轉(zhuǎn)電維持電路設(shè)計(jì)

在飛機(jī)轉(zhuǎn)電過程中（如地面電源轉(zhuǎn)飛機(jī)電源、空中匯流條切換等） ，載機(jī)電源會出現(xiàn)時(shí)間不大于50ms的供電中斷。為保證50ms轉(zhuǎn)電時(shí)系統(tǒng)不出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，綜合CNI系統(tǒng)用電設(shè)備采取內(nèi)部放置高密度電容進(jìn)行儲能的方式滿足轉(zhuǎn)電需求[9]。

5V/250W輸出50ms轉(zhuǎn)電采用有升壓維持模塊的儲能電路，電路原理圖如圖4所示。當(dāng)電源模塊上電工作時(shí)，電源維持模塊N1將輸入的直流28V升壓到36V，通過電阻器R1對儲能電容器C2充電，當(dāng)儲能電容器電壓充電到36V時(shí)，電源維持模塊N1停止工作。當(dāng)輸入端電壓下降到14～16V之間時(shí)，電容器C2通過二極管V2放電，維持電源模塊在50ms掉電時(shí)對后級DC/DC變換器供電[10]。

3 主要指標(biāo)符合性分析

根據(jù)方案設(shè)計(jì)情況，對功能及性能要求和設(shè)計(jì)情況進(jìn)行符合性對照分析，主要指標(biāo)符合性分析見表 6，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)綜合CNI系統(tǒng)內(nèi)部模塊工作電壓使用需求，討論和設(shè)計(jì)了多通道電源模塊的實(shí)現(xiàn)，未來研究可以考慮進(jìn)一步優(yōu)化電源模塊的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)更復(fù)雜的機(jī)載電子系統(tǒng)需求。電源模塊可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載電源的供電轉(zhuǎn)換，作為二次電源完成對CNI系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊的供電。本方案設(shè)計(jì)合理、可行，且未發(fā)現(xiàn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，適合未來工程項(xiàng)目的應(yīng)用與參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】