模塊電源輔助功能的研制

模塊電源輔助功能的研制

摘要：介紹了解決模塊電源過、欠壓保護和延長輸出電壓保持時間的方法，分析了保持時間的計算方法，解決了模塊電源在機載領域使用的具體要求，使模塊電源的功能得到了充分的發揮。

關鍵詞：模塊電源；過、欠壓保護；輸出電壓保持時間

Research of Assistant Function for Module Power Supply

PANG Jing, BAI Yong-gang, XIE Jun-xian?

Abstract:The Solution for overvoltage and under-voltae protections as well as prolonging output voltage maintenance time of module power supply are introduced,and the calculation method for maintenance time is analysised.Moreover,the detailed requirements were solved for the module power supply using in the aircraft.Hence,the functions of module power supply were adequately displayed.?

Keywords:Module power supply; Overvoltage and under-voltage protections; Output voltage maintenance time?

1? 前言

??? 隨著機載技術的不斷發展，為了滿足機載設備對電源模塊的要求，提高可靠性，節約飛機上的能源和空間，縮短研制周期，機載電源模塊逐步向小型化、高效化和模塊化方向發展，模塊電源越來越多地用在了機載電子產品上。雖然模塊電源具有許多優點，但在模塊電源的研制過程中，由于重點放在了提高電源效率，減小體積上，尤其對輸出功率較小的模塊電源，其內部空間有限，有許多電源內部不具備輸出電路的過欠壓保護功能。同時在機載產品中，為了滿足國軍標GJB181-86對用電設備的要求，在地面電瓶車和機上電源轉換期間以及匯流條切換過程瞬間，如何使機上設備正常工作，即怎樣提高模塊電源輸出電壓的保持時間，也是模塊電源作為機載電源應重點解決的問題。本文針對上述兩個問題進行了理論分析，并給出了相應的解決方案。

2? 過壓與欠壓保護電路

??? 過、欠壓保護電路的作用是，當輸出電壓超過或低于設計值時，把輸出限定在某一安全值的范圍內，或使輸出電壓關閉，從而達到保護電源模塊和用電設備的雙重功效。

??? 在以往用分立元器件組成的電源模塊中，通常采用齊納二極管和晶閘管組成的過壓保護（OVP）電路（見圖1），或集成化的OVP電路。前者的工作原理是，當過壓現象發生時，齊納二極管D發生雪崩擊穿使V導通，把電源輸出端短路，從而將過壓保護轉換為過流保護，這種保護一旦發生，只有把電源的輸入電壓斷開幾秒鐘后，才能使電路恢復正常。而集成OVP保護電路是利用專門的集成電路（如MC3423），將過壓采樣信號加到感應電壓端，當輸出電壓大于某一額定電壓時，集成OVP電路輸出高電平，該電平加至脈寬調制器的控制端，使保護電路開始工作。如果過壓條件撤出，它可以使電路恢復正常。

圖1? 齊納二極管和晶閘管組成的OVP電路

??? 使用模塊電源時，由于沒有獨立的脈寬調制器，因此采用上述兩種方法進行過壓保護是行不通的。為此，選用UC公司生產的UC3903芯片，實現對輸出電壓的過、欠壓保護。

2.1? UC3903芯片的性能及特點

??? UC3903系列集成電路可以同時響應4路電壓的過、欠壓信號，內部的運算放大反向器允許至少1路信號為負電壓。其內部包含過、欠壓比較器，通用運算放大器，電源過壓感應電路，過、欠壓延時電路，啟動鎖存電路和3路OC（集電極開路）門輸出電路等。

??? 該集成電路內部的故障窗口調節電路可以很容易地實現過、欠壓門限電壓的編程控制，門限電壓以2.5V為基準變化，具有與窗口寬度相關的輸入滯后。一旦出現故障，UC3903的三個OC門輸出可以吸收超過30mA的負載電流，這三個OC門輸出分別對應過壓（OV）、欠壓（UV）和電源工作正常（Power OK）三種情況。除此之外，UC3903內部還包含一個獨立的運算放大器，該運放可以實現其它輔助功能，例如用2.5V輸出作為基準電壓、感應和放大反饋誤差信號。為了防止啟動瞬間過壓指示的誤動作，UC3903內部還具有啟動鎖存功能。

??? UC3903的工作電壓為8～40V，工作電流7mA。器件封裝形式有PLCC?20、LCC?20表面貼裝封裝形式及雙列直插DIP18塑封、陶瓷和表面貼裝封裝形式。其內部結構如圖2所示。

圖2? UC3903框圖

2.2? 管腳定義

??? VREF?? 精密的2.5V電壓基準，可作為外部電路的基準電壓。

??? WINDOW??? ADJUST??? 窗口調節。

??? SENSE 4 INVERT INPUT??? 過、欠壓信號輸入端4反向電壓輸入端。

??? SENSE??? 1－4??? 過、欠壓信號輸入端。

??? OV RELAY過壓延時。

??? OV FAULT 過壓故障，信號電平為低電平有效。

??? UV FAULT 欠壓故障，信號電平為低電平有效。

??? POWER? OK? 電源工作正常指示。

??? LINE/SWITCHER? SENSE? 電網/開關感應端。

??? OUTPUT??? 通用運算放大器輸出端。

??? N.I?????? 通用運算放大器同向端。

??? INV.????? 通用運算放大器反向端。

2.3? 典型應用

??? UC3903用于3路輸出模塊電源過、欠壓保護電路的典型應用如圖3所示。其主要原理是，多路監視器UC3903接收到各路輸出電壓信號后，分別與過、欠壓門限電壓比較，經過、欠壓比較器檢測，輸出正常時OC門輸出腳11（OV FAULT）、腳12（UV FAULT）、腳14（POWEROK）經過電阻R15上拉為TTL高電平。如果某一路或幾路輸出電壓有故障（過壓或欠壓），該監控器的腳11，腳12或腳14即輸出一個TTL低電平，此電平作為故障告警信號，加至模塊電源的控制端，關閉電源模塊的輸出，實現過、欠壓保護。

圖3? 三路輸出模塊電源過、欠壓保護電路圖

3? 輸出電壓保持時間

3.1? 保持時間的定義

??? 開關電源中由于濾波電容的存在，在輸入電壓降低或關閉的過程中，使得輸入電網電壓從最低值到輸出電壓下降到系統無法正常工作的臨界值時，輸出電壓能夠維持一段時間，這段時間稱之為輸出電壓保持時間。

??? 對于機載設備，按照國軍標GJB181-86對用電設備的要求，輸出保持時間有兩個含義。一是指當輸入電壓欠壓時，即直流輸入電壓降到8V，交流輸入電壓降到70V時，系統應能滿足50ms的保持時間要求，也就是系統要能正常工作50ms。另一種是指當輸入電壓徹底斷開時，系統輸出電壓能夠保持多長時間，使得系統仍能夠工作。

3.2? 保持時間的計算方法

3.2.1? 交流輸入的保持時間計算

??? 交流輸入整流電路和整流波形分別見圖4，圖5。

圖4? 交流輸入整流電路

圖5? 交流輸入的整流波形

??? 從圖5中可以看出，從t0時刻開始，整流橋輸出電壓大于儲能電容器C上的電壓，整流橋導通，輸入電網對C充電，同時向負載提供能量。在t1時刻，整流橋輸出電壓達到最大值，限流電阻R上的電壓也達到最大值URm。然后整流橋電壓開始下跌，C也開始放電，并和電網一起通過開關向負載提供能量直至t2時刻。而此時刻整流橋上的電壓與電容上的電壓相等，電阻R上的電壓為零。在以后的t2～t3時間內，電容器處于放電狀態，C放電直至t3時刻結束。

??? 從以上的描述中，可以把在放電后t2至t3這一段時間稱為輸出電壓維持時間tk，用公式表示為

?????? tk=t3－t2?????? （1）

??? 當t0到t1、t2的時間遠小于tk時,則可近似認為電容C在tk時間內向負載提供能量,也即是開關電源的輸入功率Pi.如果用U2、U3表示t2、t3時刻對應的輸入電壓,則維持時間可用公式表示為

??? tk=????? （2）

3.2.2? 直流供電的開關電源保持時間

??? 在直流供電條件下,開關電源輸出保持時間tk的計算公式是

????? tk=? （3）

式中：U2——輸入電壓最低時的電壓值；

????? U3——輸出電壓下降到臨界值時對應的輸入電壓。

3.3? 延長輸出保持時間的方法

??? 由上述分析結果可以看出，輸出保持時間的長短主要與輸入電容Ci，電源輸入功率Pi，t2、t3時刻對應的電壓值U2、U3有關外，還與輸出電容和輸出負載也有一定的關系。雖然增加輸出電容量亦可增加保持時間，然而增加輸出電容量就意味著增加電源的體積和重量，而放電時間相對于充電時間較快，且與負載有關,因此相對于輸入電容，輸出電容對保持時間的影響幾乎可以忽略不計。在體積重量允許的情況下,采取多個電容并聯的方式來增大Ci容量，可延長輸出保持時間。然而，隨著輸入電容的增大，電源啟動瞬間的浪涌電流也會增大，使得功率管的峰值電流應力增加，從而增加了功率管的成本，降低了電路開啟工作的可靠性。權衡考慮，除增加儲能電容的容量外，適當設計輔助電路，使其在電網正常時不工作，僅僅在欠壓瞬間工作，這樣就可以減小啟動瞬間的浪涌電流，提高正常工作時的電源效率，并且能夠延長輸出電壓的保持時間。

??? 對于直流供電的模塊電源一般采用輔助升壓電路，當供電電源低于某一設定值時，升壓電路開始工作，將輸入電壓升高，使得在低輸入電壓情況下電源也能正常工作，從而拉寬了電網的工作范圍，使電源在低電壓和斷電兩種情況下的保持時間均得到了延長。

??? 對于交流供電的模塊電源，一般的模塊電源均能滿足寬輸入電壓的要求，因此延長保持時間主要指的是延長輸入電壓斷電時的保持時間，采用圖6所示的輔助電路可以將電源的保持時間延長將近1倍。其工作原理是，當輸入電壓正常時，電容C2上的電壓為整流后的電壓，且該電壓經過二極管D和電阻R向電容C1充電，一旦電容C2上的電壓低于C1上的電壓，二極管D截止，電容C1上存儲一定的電壓，功率管Q1不導通時，只有電容C2上的電壓加至模塊電源上。當輸入電壓下降后，其它檢測單路輸出的控制信號加至Q2上，使Q1導通，而此時電容C2上的電壓低于C1上的電壓，這樣C1上的電壓向模塊供電，相當于模塊電源的輸入電壓升高，其結果必然使輸出保持時間延長，而這部分電路在電網正常時并不工作，因此不會帶來啟動瞬間電流增大的問題。