一种用于航空重力供电系统的新型电路连接方式

doi:10.11720/wtyht.2021.0043

一种用于航空重力供电系统的新型电路连接方式

蒋久明^,¹^,², 安战锋¹, 石磊¹, 孟庆奎¹, 金久强¹, 王志博¹

1.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

2.自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室,北京 100083

A new circuit connection for airborne gravity power supply system

JIANG Jiu-Ming^,¹^,², AN Zhan-Feng¹, SHI Lei¹, MENG Qing-Kui¹, JIN Jiu-Qiang¹, WANG Zhi-Bo¹

1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083,China

2. Key Laboratory of Airborne Geophysics and Remote Sensing Geology, Ministry of Natural and Resources,Beijing 100083,China

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2021-01-21 修回日期: 2021-08-18

基金资助:

自然资源部“航空地球物理与遥感地质重点实验室青年创新基金”. 2020YFL06

Received: 2021-01-21 Revised: 2021-08-18

作者简介 About authors

蒋久明(1987-),男,主要从事航空物探、电子仪器研发工作。Email: halixiedun@163.com

摘要

在分析了航空重力测量的供电系统设计,针对满载上电困难或重复启动的不稳定情况,本文提出一种基于VICOR电源模块的新型电路连接方式来解决上述问题。在航空重力电源设计中,一般电路结构的设计和参数选择会参考电源芯片模块生产厂家的技术手册,选用整流滤波模块的EN端来驱动DC-DC模块,但经常遇到满载上电困难或重复启动等类似故障,影响电源的稳定运行。本文采用VICOR模块的BOK输出端结合三极管来控制DC-DC电源模块PC使能端,不影响前端整流滤波电路的上电。电路分析结果表明,相对于EN端驱动使能,采用BOK端驱动时,在输出低电平时,能保证低于2.3 V的阈值电压,充分的封锁PC使能端,不会出现满载上电困难或一直重复启动等现象,使得航空重力供电系统能够更加安全和稳定的工作。

关键词： 航空重力 ; 使能 ; 满载 ; 上电 ; VICOR模块

Abstract

After analyzing the power supply system design of airborne gravity measurement, aiming at the instability of full load power on or repeated start, a new circuit connection mode based on VICOR power module is proposed to solve the above problems. In the design of aviation gravity power supply, the general circuit structure design and parameter selection refer to the technical manual of the power chip module manufacturer, and the EN port of the rectifier filter module is selected to drive the DC-DC module. However, similar faults such as full load power on difficulty or repeated startup are often encountered, which affect the stable operation of the power supply. In this paper, the BOK output of VICOR module combined with triode is used to control the PC enable port of DC-DC power supply module, which does not affect the power on of front-end rectifier filter circuit. The circuit analysis results show that compared with the EN port drive enable, when using the BOK drive, the threshold voltage lower than 2.3 V can be guaranteed at the output low level, the PC enable port can be fully blocked, and there will be no phenomena such as full load power on difficulty or repeated startup, so that the aviation gravity power supply system can work more safely and stably.

Keywords： airborne gravity ; enable ; full load ; power up ; Vicor module

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本文引用格式

蒋久明, 安战锋, 石磊, 孟庆奎, 金久强, 王志博. 一种用于航空重力供电系统的新型电路连接方式. 物探与化探[J], 2021, 45(6): 1455-1461 doi:10.11720/wtyht.2021.0043

JIANG Jiu-Ming, AN Zhan-Feng, SHI Lei, MENG Qing-Kui, JIN Jiu-Qiang, WANG Zhi-Bo. A new circuit connection for airborne gravity power supply system. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(6): 1455-1461 doi:10.11720/wtyht.2021.0043

0 引言

在航空重力供电系统中,电源工作的稳定性至关重要^[1]。用单台电源实现大功率,会造成电应力大,给功率器件的选择、开关频率和功率密度的进一步提高带来困难,且一旦单台电源发生故障,将导致整个系统崩溃。采用多个电源模块并联运行,并联系统中每个模块处理较小功率,解决了上述采用单台电源的弊端,提高了整个系统的可靠性。由于各个电源模块的外特性不一样,分担的负载电流也不均衡,承受电流多的模块可靠性大为降低。因此,并联运行的电源模块必须解决负载电流均匀分配和稳定启动的问题^[2]。

在重力仪的不间断供电系统中,需要将交流电220 V变换为直流28 V功率800 W。为了减小体积,提高电源的可靠性,一般情况下,采用性能好的整流滤波集成模块和DC-DC电源模块组合实现^[3],本文主要是以美国VICOR公司生产的功率1 000 W的整流滤波模块FARM2T11和2个功率400 W的电源模块V300A28T400B来搭建电路实现这个功能,并提出一种新型的电路连接方式来实现满载稳定启动的方案。

在美国VICOR公司芯片技术手册中,一般推荐使用者默认采用整流滤波模块FARM2T11的EN输出端连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC使能端,来使能控制V300A28T400B工作状态。但是EN同时控制2个电源模块V300A28T400B的PC时,有时输出低电平不能保证PC端一直低于 2.3 V(低电平的最高门限值),也就不能保证一直有效拉低电源模块V300A28T400B的PC使能端,DC-DC电源模块会尝试启动,使得整流滤波模块在上电阶段出现提前带负载,影响整流滤波模块FARM2T11的正常启动。也就会出现:“开机—输出电压—关机—再开机”一直重复启动的故障,整个电源系统不能正常开机。

本文提出一种新型的电路连接方式可以解决上述问题,采用和EN端反相电位的BOK端和外接三极管来组合控制2个电源模块V300A28T400B的PC使能端,能保证PC的低电平一直低于2.3 V,从而实现电源系统正常的满载启动^[4,5,6,7,8]。

1 基本电路原理介绍

在设计航空重力供电系统时,一般我们选用VICOR公司提供的整流滤波模块FARM2T11和两个400 W电源模块V300A28T400B组成完整的28 V/800 W电源系统时,但在实际工作中存在下列问题:根据VICOR公司芯片技术手册中推荐的采用整流滤波模块FARM2T11输出使能端EN来连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC端进行使能和关断模块,在电源模块的均流端PR不做任何连接时,单个电源模块均可以带小于400 W的负载开机;当两个DC-DC电源模块的均流端PR做交流耦合连接时,这种情况下带载开机,不管负载小于400 W,还是在400~800 W之间,由于EN端在驱动PC端时不能保证PC端电压一直低于2.3 V,也就是DC-DC电源模块在整流滤波模块上电阶段不能一直处于关掉待机状态,导致有可能会出现:“开机—输出电压—关机—再开机”这种一直重复启动的故障现象,不能正常开机。本文提出一种使用BOK驱动PC端的新型电路连接方式来解决这个问题。

为更好理解本文中航空重力电源系统的工作原理,下面结合电路原理框图来介绍和分析各部分电路功能。在两个DC-DC电源模块之间是以PR端交流耦合连接为例说明,实际设计中,也可以采用变压器耦合连接。电路原理框图如图1所示。

图1

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图1 航空重力供电系统的电路原理框

Fig.1 Circuit block diagram of airborne gravity power supply system

图中N1为整流滤波模块FARM2T11,虚线框为电源模块使能控制电路,N2、N3为DC-DC电源模块V300A28T400B。

该电路原理框图可以分为滤波整流电路,电源模块使能控制电路,可均流的DC-DC电源变换等3部分电路组成,下面对每个部分电路进行简单介绍。

1.1 滤波整流电路

这部分电路主要把220 V的交流电进行整流滤波后变成311 V左右的直流电压,具体电路中使用VICOR公司的整流滤波模块FARM2T11和外围配置电路组成,外围部分包括J1、S1、N1、R1、C1等,如图2所示。

图2

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图2 FARM2T11组成的整流滤波电路

Fig.2 Rectifier and filter circuit of FARM2T11

N1指的就是核心元件的整流滤波模块FARM2T11,提供了EMI滤波,自变换量程的整流和开机时浪涌电流的限制。内部包含一个微控制器,连续检测输出电压UA,并据此对外输出EN和BOK信号,以便于控制均流电源模块N2和N3(型号为V300A28T400B)按照一定的时序开关机,对内控制PTC热敏电阻的旁路和整流电路的倍压^[9,10,11]。整流滤波模块FARM2T11的内部原理见图3,FARM2T11电源开启和关闭的时序见图4。

图3

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图3 整流滤波模块FARM2T11内部原理框

Fig.3 Internal principle block diagram of FARM2T11

图4

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图4 FARM2T11的上电和掉电时序

Fig.4 Power on and power off sequence diagram of FARM2T11

当交流输入开关合上后,交流电通过整流滤波模块N1内部的PTC(正温系数)热敏电阻经过整流给储能电容C1充电,PTC热敏电阻限制充电电流,当电容上的电压UA对时间的斜率接近0时,电容上的电压UA充电到最大值;当UA大于200 V,倍压整流不起作用,全桥整流起作用;当UA大于235 V,旁路掉电流限制的热敏电阻,而UA小于235 V, 不会旁路热敏电阻。在旁路掉热敏电阻后150 ms,整流滤波模块N1的EN端输出高电位;在旁路掉热敏电阻后300 ms,整流滤波模块N1的BOK端输出低电位0 V,之前输出高电位16 V。

当交流开关S1关断时,储能电容上的电压通过电阻R1放电。当UA小于210 V时,滤波整流模块N1的BOK端恢复高电位。当UA小于190 V时,滤波整流模块N1的EN端输出低电位,同时整流滤波模块完全停止工作,此时如果交流输入恢复供电,整流滤波模块将重复整个上电工作时序。如果输入出现瞬时中断,且在总线UA在下降到关机阈值190 V之前电源重新恢复输入供电,则整流滤波模块不会重复上电时序,即电源转换系统“穿越”瞬时中断。

1.2 电源模块使能端控制电路

这部分内容是本文讨论的重点,也是航空重力供电系统的重要部分,直接影响到供电系统工作的稳定性,以图5为例进行讨论。

图5

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图5 VICOR公司芯片技术手册推荐的整流滤波模块EN端驱动DC-DC模块的使能端PC

Fig.5 EN drives the enabling terminal PC of DC-DC modules recommended by Vicor's manuals

主要由R4、D2和D3组成。当带载开机时(开关S1闭合),交流电通过整流滤波模块N1内部的PTC(正温系数)热敏电阻经过整流给储能电容C1充电。当储能电容上的电压UA小于235 V,整流滤波模块N1的EN端输出低电位,通过限流电阻R4,D2和D3将N2和N3的PC端拉为低电位(小于 2.3 V),禁止电源模块N2和N3输出电压,这时负载RL上没有电压。

当储能电容上的电压UA大于235 V,整流滤波模块内部的控制电路旁路掉给储能电容充电的PTC(正温系数)电流限制热敏电阻,这会使给储能电容充电的整流滤波模块回路中的等效电阻大大减小,可以更快速地给储能电容C1充电,电压UA上升。在热敏电阻旁路后150 ms时刻,整流滤波模块N1的EN端输出高电位16 V,二极管D2和D3截止,电源模块N2和N3的PC端不受外电路控制,由内部辅助电源上拉到5.75 V,延时4 ms后电源模块N2和N3被使能,输出电压28 V经过D1A和D1B给负载电阻RL供电。由于N2和N3的PR端的高频开关脉冲通过交流耦合到均流母线上,N2和N3均匀分配负载电流。此时,N2和N3被使能带载,相当于整流滤波模块N1的输出端带载,储能电容的电压UA会因空载到带载而降低,但只要UA大于190 V,电源就不会重启。但是这种电路存在缺点:由于整流滤波模块内部的结构,EN输出低电平时,并不能有效地保证PC端低电平一直小于2.3 V,即不能保证在整流滤波模块启动过程中,一直有效关掉封锁N2和N3使能端,N2和N3会尝试启动输出电压,使得整流滤波模块提前带载,在上电阶段很难有效快速升压到235 V,影响整个电源系统的启动。PC端的具体电平分析在下一节中具体介绍。

1.3 可均流DC-DC变换电路

DC-DC转换部分电路由F1、F2、N2、N3、D1A、D1B、C2、C3和RL组成,图5所示。当N2和N3的使能端PC电压高于2.3 V时,使能DC-DC电源模块N2和N3,将整流滤波后的电压UA转换为直流28 V输出,供给负载RL。保险丝F1和F2提供电源模块N2和N3的输入短路容错,二极管D1A和D1B提供电源模块N2和N3的输出短路容错。C2和C3是均流母线上的交流耦合电容,连接在电源模块的PR端和均流母线UC上,作为主模块的PR端发出高频开关脉冲(自动选主),从模块的PR端接收此脉冲,均流母线上UC为同步脉冲,模块使用这个脉冲作为增强功率和容错的均流信号,同步两个400 W的电源模块均匀分配负载电流(满载800 W),即提高了功率,又不增加功率器件的电应力,提高了整个系统的可靠性^[12,13],当然这里的均流技术不是本文讨论的重点,只是为了读者更好地理解整个电路,才进行简单的介绍。

2 常规使能控制的电路连接方式

在1.2小节已经介绍了VICOR公司芯片手册中推荐的选用整流滤波模块FARM2T11的EN输出端连接DC-DC电源模块V300A28T400B的PC使能端,组成常规的使能控制电路连接方式。

如图6所示,在用FARM2T11的EN端驱动PC端的情况下,在芯片内部EN通过150 K电阻和N通道MOSFET管上拉到15 V。在开机上电阶段EN输出低电平,通过R4和二极管连接DC-DC的PC端来关断DC-DC电源模块,使得电源系统上电阶段,DC-DC芯片不工作。在经过一段时间后,当满足图4中的3.1点条件,输出总线电压大于235 V,且UA增长曲线斜率趋向于0时,启动旁路PTC热敏电阻,150 mms后,EN端输出高电平15 V,这时与DC-DC的PC使能端连接的二极管截止,PC端被DC-DC内部电路上拉到5.7 V,使能端PC为高电平,DC-DC开始启动电压转换,输出28 V直流电给航空重力仪等负载^[14]。

图6

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图6 FARM2T11的EN端驱动DC-DC模块PC端

Fig.6 The EN port of FARM2T11 drives the PC port of DC-DC module

但实际工作中,在电源系统的整流滤波模块上电阶段,EN应处低电平,内部的MOS管处于导通状态,通过R4把PC拉到低电平(要求小于2.3 V),但是MOS管导通时,实测导通漏级源级压降UDS为0.9 V左右,PC端限流3 mA,R4选取300 Ω,电阻压降为0.9 V,二极管导通压降0.45 V(本文以选取二极管IN5817为例),故PC端低电平时电压为 2.25 V,非常接近低电平的要求的上限值2.3 V。若同时启动2个并联的DC-DC电源模块,电阻R4的电流会变大,压降也会增大。而且整流滤波模块与DC-DC模块之间通路导线也多少有一定的压降。这就导致PC端的低电平电压不能保证一直低于2.3 V,就不能保证DC-DC电源模块在电源上电阶段处于关闭状态,会尝试启动转换电压给负载,从而使整流滤波模块的输出总线电压提前带载,影响整理滤波模块内部的控制时序条件,进而影响整个电源系统的有效启动过程,会出现本文前面提到的反复“开机—输出电压—关机—再开机”的故障现象^[15,16]。

3 新型连驱动方式

为了解决上述启动故障,本文在整流滤波模块和DC-DC电源转换模块之间采取了一种新型连接方式,如图7所示。采用整流滤波模块FARM2T11的Bus OK输出端(以下简称BOK端)代替EN端来使能DC-DC的PC端,BOK端与EN端恰好输出电平是反相的电位(图4时序所示),外接一个NPN型的三极管来搭建控制PC端的驱动电路。

图7

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图7 FARM2T11的B-OK驱动DC-DC模块的使能端PC

Fig.7 B-OK port of FARM2T11 drives PC ports of DC-DC modules

在图7中,J1为交流电,VAC(范围 AC90V~264V),S1为双刀单掷开关,R1~R4为电阻,RL为负载电阻,C1为储能电容,D1为肖特基二极管,D2~D3为二极管1N5817,F1~F2为保险丝,N1为滤波整流模块FARM2T11, N2~N3为DC-DC电源转化模块V300A28T400B,以及Q1为NPN三极管2N3904。

电源上电阶段,当储能电容C1的电压UA小于235 V,整流滤波模块N1的BOK端输出电压UBOK为高电位16 V(见图4时序),通过限流电阻R4连接到NPN三极管Q1的基极,使Q1导通,通过R3,D2和D3将N2和N3的PC端拉为低电位,禁止电源模块N2和N3启动输出电压。而此时的PC点电压则由三极管Q1的饱和压降,和集电极的电阻R3和二极管决定,与电阻R4压降无关。三极管Q1的型号选为2N3904,通过查询手册饱和压降UCE为最大为0.3 V,集电极电阻R3选取150 Ω·m,因为单个DC-DC模块的PC端内部的限流为3 mA,两个模块为6 mA,故R3上压降为0.9 V,二极管D2型号为1N5817导通压降为0.45 V,同时在PCB电路板设计时,三极管Q1可以放置在DC-DC模块附近,导线压降可以忽略不计,所以PC的电压为1.65 V,远小于PC端低电平的最大值2.3 V,所以能保证电源上电阶段,DC-DC模块能有效的关闭,不影响整流滤波工作,不会出现上文提到的电源系统反复重启的现象,从而整个电源系统工作更加稳定^[17]。

当储能电容上的电压UA大于235 V,且电压增长斜率趋向于0时,整流滤波模块内部的控制电路旁路掉给储能电容充电的PTC(正温系数)电流限制热敏电阻,经过300 ms时间,整流滤波模块N1的BOK端输出低电位0 V,三极管Q1截止,电源模块N2和N3的PC端不受外电路控制,由内部辅助电源上拉到5.75 V,延时4 ms后电源模块N2和N3被使能,输出电压28V经过D1A和D1B给负载电阻RL正常供电^[18]。

4 EN和BOK上电和掉电特性对比

EN和BOK端口的上电和掉电工作特性图如图8所示,在图8a中,在满足一定条件下,BOK端口在EN变电平后150 ms输出低电平,结合三极管驱动DC-DC模块,多延迟的150 ms时间,有助于整流滤波模块FARM2T11内部的充分完成转化过程。在图8b中,在FARM2T11掉电后,只有直流输出总线电压V_DC低于190 V时,BOK才会变成高电平,将封锁后面的DC-DC模块;只要在输出总线电压V_DC降低到190 V之前恢复供电,BOK电平就不会变化,整流滤波模块FARM2T11不需要重复整个上电的过程,不影响整个电源系统的供电。

图8

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图8 FARM2T11中EN和BOK端口的上电(a)与掉电(b)波形

Fig.8 Power on (a) and Power off (b) diagram of EN and BOK ports of FARM2T11

5 结论

1) 本文通过设计一种新型的电路连接结构,采用滤波整流模块输出端BOK,来控制DC-DC电源模块的使能端PC,得电源模块的PC端在电源系统上电阶段能够充分拉低到2.3 V以下,储能电容C1上的电压比常规推荐的采用滤波整流模块的EN端控制时(限流电阻旁路后经过150 ms延时)的电压高很多,即使均流的两个电源模块带满载800 W开机,储能电容上的电压UA也不会降到使N2和N3关机的210 V,更不会降到电源系统关机的190 V, 这就避免在满载开机时出现“开机—输出电压—关机—再开机”一直重复启动的故障。

2) 在本文的电路结构中,三极管Q1和二极管的型号选择只是一种参考,读者可以根据自己的需求更换其他相同功能的电子元器件。只要计算好导通压降,使得DC-DC电源模块的PC端在低电平时必须保证足够低于2.3 V即可。

3) 在具体电路PCB电路板设计中,尽量使三极管放置离DC-DC电源模块近一点,这样可以使得导通回路的压降降低,更能保障电源系统的稳定性。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

汪晓文, 康婷, 康端刚, 等.

开关电源的输入滤波器设计及传导干扰抑制

[J]. 电源技术, 2020, 44(12):1822-1825,1830.