基于模塊電源的船舶集控系統(tǒng)嵌入式單板機(jī)電源設(shè)計(jì)

引言

某船集控系統(tǒng)采用SBS公司VME總線嵌入式單板機(jī)作為中央控制臺(tái)主控計(jì)算機(jī)，需要供給電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、紋波和噪聲系數(shù)小、散熱良好的工作電源，且要求結(jié)構(gòu)緊湊，便于與嵌入式單板機(jī)一起安裝在標(biāo)準(zhǔn)的6u高度機(jī)箱內(nèi)．

該電源設(shè)計(jì)可采用2種方法：從最基本的電源變換單元到完整的功能性樣機(jī)，均進(jìn)行自行設(shè)計(jì)；或以成熟的電源變換功能模塊為基礎(chǔ)，外加輔助性電路(輸出電壓調(diào)節(jié)、電壓檢測報(bào)警等)優(yōu)化整合為適用、高效、可靠的電源模塊．考慮到國內(nèi)外電源領(lǐng)域知名公司針對(duì)市場需求已開發(fā)功能、品種齊全的模塊化電源，采用第二種方法可更加靈活快捷地完成電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，縮短開發(fā)周期，節(jié)省人力及設(shè)計(jì)成本．同時(shí)，以模塊化電源為基礎(chǔ)可大量減少外部接線、焊點(diǎn)或連接點(diǎn)，產(chǎn)品的可靠性將明顯增加．

目前模塊電源的國內(nèi)外知名公司品牌產(chǎn)品主要有美國的Vieor、日本的Cosel和LAMBDA等，其中、Vicor系列模塊在功率密度、散熱管理、配置靈活性等各方面具有明顯的優(yōu)勢，在惡劣環(huán)境和高可靠性需求場合應(yīng)用廣泛，是日前抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的優(yōu)選電源．本文根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，采用Vicor模塊進(jìn)行某嵌入式單板機(jī)的供電電源設(shè)計(jì)．

1 電源設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1．1 基本要求及技術(shù)方案

根據(jù)系統(tǒng)的電源供配電規(guī)劃，待設(shè)計(jì)電源模塊可取得2路DC24V輸入電源，因此本題電源設(shè)計(jì)的基本要求是將Dc24V電源轉(zhuǎn)換處理為符合單板機(jī)供電要求的Dc+5V和±12V工作電源．根據(jù)設(shè)計(jì)要求和Vicor系列模塊電源規(guī)格，擬選用VI-IAM模塊(輸入衰減濾波模塊，Input Attenuator Module)先對(duì)輸入電源進(jìn)行濾波，在此基礎(chǔ)上選用VI-2W0、VI—JW1模塊進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為DC+5V和±12V，總體技術(shù)方案如圖1所示．

1．2 雙路輸入冗余設(shè)計(jì)、輸入電源狀態(tài)監(jiān)測及濾波

為提高系統(tǒng)可靠性，采用雙路輸人冗余供電，雙路電源輸入及輸入電壓上下限監(jiān)測及濾波電路如圖2所示．圖中，兩路DC24V輸入電源經(jīng)2個(gè)二極管進(jìn)行冗余供電．為了滿足EMC技術(shù)要求，降低噪聲干擾，采用VI-IAM模塊A1進(jìn)行濾波．VI-IAM輸入衰減模塊是一種直流輸入前端濾波器，該模塊與Vicor變換器模塊配套使用時(shí)，可以保證EMC技術(shù)性能要求．為實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓范圍的檢測，圖中設(shè)置了以運(yùn)放為核心的電壓上、下限比較電路．當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定的上限或下限門檻值時(shí)，通過光耦產(chǎn)生輸入電壓異常信號(hào)，用于關(guān)斷下位DC／DC模塊．作為比較器使用的運(yùn)放輸入端比較基準(zhǔn)電壓由78l2的穩(wěn)壓輸出端提供，而DC／DC轉(zhuǎn)換器TME1212S的輸出則用作光耦輸出端電路工作電源.

1．3 DC／DC轉(zhuǎn)換主電路及調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

DC／DC轉(zhuǎn)換主電路及調(diào)節(jié)電路如圖3所示．DC24V輸入電壓經(jīng)VI-IAM輸入衰減模塊濾波后，再經(jīng)VI-2W0和VI-JW1模塊轉(zhuǎn)換成+5V和±12V直流電壓．為保證DC／DC變換器輸出電壓具有一定偏差范圍內(nèi)的可調(diào)節(jié)性，或保證當(dāng)輸入電壓偏離一定范圍或負(fù)載效應(yīng)較大時(shí)仍能穩(wěn)定在標(biāo)稱值，根據(jù)Vicor模塊應(yīng)用手冊(cè)推薦的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法在VI-2W0、VI-JW1模塊輸出端外接調(diào)壓電阻網(wǎng)絡(luò)．以VI-2W0模塊+5V輸出電壓的調(diào)整為例，選配阻值為l0 kΩ 的電位器R4調(diào)整輸出電壓，電阻R2和R3則用于限制電壓調(diào)低和調(diào)高的范圍，當(dāng)R2選用23．63kΩ、R3選用90KΩ，則輸出電壓可在±10％之間調(diào)整．圖3中虛線框中的電路用于平緩DC／DC變換器輸入電壓的波動(dòng)．當(dāng)輸入電壓有較大瞬時(shí)擾動(dòng)時(shí)，兩個(gè)大容量的電解電容C13、C14將通過充、放電平緩輸入電壓波動(dòng)，保證DC／DC變換器的正常工作．

1．4 DC／DC轉(zhuǎn)換模塊關(guān)斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì)

當(dāng)DC／DC轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓、輸出電壓偏離較大時(shí)，為保證嵌入式單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及接口板卡的工作可靠性，電源電路應(yīng)設(shè)置自關(guān)斷保護(hù)功能：即輸入輸出異常時(shí)自動(dòng)關(guān)斷電源模塊，保護(hù)負(fù)載電路．本文設(shè)計(jì)的DC／DC轉(zhuǎn)換模塊關(guān)斷保護(hù)功能電路如圖4所示．

由于DC+5V是嵌入式單板計(jì)算機(jī)最重要的供電電源，應(yīng)具備更高的電源品質(zhì)，更好的穩(wěn)定性，圖4中的電壓上、下限比較器電路檢測DC+5V輸出電壓，當(dāng)電壓偏離正常值較大時(shí)，通過光耦產(chǎn)生輸出電壓異常信號(hào)．DC±l2V是計(jì)算機(jī)中風(fēng)扇及其他接口部件的供電電源，電源品質(zhì)要求可低于DC+5V，為簡化電路設(shè)計(jì)，使用穩(wěn)壓管D3和光耦U4組成DC±12V輸出電壓狀態(tài)檢測電路．輸入輸出電壓異常時(shí)由相關(guān)檢測電路產(chǎn)生的關(guān)斷信號(hào)作為或非門4002的輸入，向外輸出總的關(guān)斷信號(hào)．當(dāng)三極管Tl導(dǎo)通時(shí)，與其相連的Gate In腳的電平被拉低，DC／DC轉(zhuǎn)換器關(guān)斷．

1．5 其他問題

1．5．1 散熱和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

良好的散熱設(shè)計(jì)對(duì)提高電源的可靠工作非常重要，散熱不良極易引起電源品質(zhì)惡化，實(shí)踐表明電源功能故障也往往由高溫?zé)釗p壞引起．盡管Vicor電源模塊的效率較高(80％ ～90％)，但仍有10％ ～20％的功耗，這部分功耗以熱量的形式散發(fā) ，本文設(shè)計(jì)電源模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)的6U高度機(jī)箱內(nèi)，如不采取有效的散熱冷卻措施，這部分熱量將使電源本身及機(jī)箱內(nèi)部插件板溫度升高，因此電源散熱設(shè)計(jì)問題不容忽視．為妥善解決此問題，將電源殼體設(shè)計(jì)制作為具有良好散熱特性的金屬外殼形式，Vicor電源模塊散熱面安裝在金屬殼體上，機(jī)箱下方配置風(fēng)扇對(duì)電源及其他電路板進(jìn)行通風(fēng)散熱，藉此確保優(yōu)良的散熱特性．

1．5．2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

良好的電源電磁兼容性設(shè)計(jì)是保證計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備電磁兼容、免受干擾的有效途徑，本文在前面所論述的電路設(shè)計(jì)中已采取相應(yīng)措施，此處解釋說明如下：

1)配套使用VI-IAM模塊與DC／DC變換器，以滿足EMC技術(shù)性能要求，降低噪聲干擾；

2)在VI-IAM模塊的輸入端接入X型電容(圖2中C1)，并在VI-2W0、VI-JWl模塊的輸入端和輸出端到接地的基板之間分別接人Y型旁路電容(圖3中C2、C3、C5、C6)，用于減少差模干擾和共模干擾，滿足電磁兼容性要求；

3)電源采用封閉式的金屬外殼，保證其良好的電磁屏蔽作用．

1 電源設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

將基于Vicor電源模塊、依據(jù)上述方法設(shè)計(jì)研制的電源接插于標(biāo)準(zhǔn)的VME總線機(jī)箱內(nèi) 根據(jù)電氣特性定義和要求連接好VME總線背板、給VME總線嵌入式單板機(jī)和其他接口設(shè)備供電，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行和長時(shí)間連續(xù)考核試驗(yàn)，表明基于Vicor模塊設(shè)計(jì)和研制的電源各方面性能完全滿足要求，文中提出的電源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法無論在工作可靠性、功率密度、轉(zhuǎn)換效率、負(fù)載特性、電磁兼容性和散熱特性等方面均具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)．