高频开关电源模块并联供电及维护管理
摘要:文章结合高频开关电源模块并联供电的技术原理,对基本要求、结构、冗余技术、均流控制方式、散热等问题进行描述,介绍高频开关电源模块日常运行的维护管理,分析运行中的电源模块产生故障原因,提出利用网络远程技术及运行维护措施来提高运行中电源模块故障发生前的防御能力。
关键词:电源模块;并联;冗余;均流;维护管理
直流电源系统已广泛应用于分布式电源系统结构代替集中式电源系统结构,用小功率DC-DC变换模块并联与一个集中的大功率电源相比,有许多优点:电源模块变换效率高,动态性好,模块的并联可以实现功率冗余,提高了系统可靠性,并易于安装维护,输出功率可以扩展,以满足大功率负载需要,为电力、通信、计算机等使用直流电源系统提供可靠的直流電源能源。
1高频开关电源模块并联冗余技术
高频开关电源模块采用并联供电模式,要求达到如下效果:①并联的各模块电流能自动平行,实现均流。②均流与冗余相结合。③当输入电压或负载电流变化的时候,应能够保持输出电压的稳定,并使得系统具有良好的负载响应特性,在负载突变的时候,不会造成电流严重分配不均而停机。
如图1所示,多个独立的高频开关电源模块单元并联,系统采用模块化结构,根据负载提供所需电流在线增减模块单元,提高了系统的灵活性。
采用模块并联结构,还可以实现N+n冗余功能。所谓N+n功率冗余,是指N+n个容量为P的电源模块并联工作,负载功率为NP,冗余(备用)功率为nP,正常工作时,单个均流电源模块,承担的功率为其容量的N/(N+n);当其中一个或几个(不超过n个)电源模块出现故障时,故障模块立即被隔离,其余模块再平均分担负载电流,正常运行,电源系统仍能保证提供100 %的负载电流。采用冗余技术,除了使系统增加了容量冗余功率外,真正实现热拔插,即在保证电源系统不间断供电情况下,更换系统中的失效模块。
2高频开关电源模块并联的均流
并联电源模块系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒定值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起,均流的实质是通过均流控制电路,调整各模块的输出电压,从而调整输出电流,以达到均分电流的目的。
2.1均流的基本原理
图2为两个模块并联工作时的电路及其外特性曲线。如果两个模块的参数完全相同,即V01max=V02max,R1=R2,两条外特性曲线重合,负载电流均匀分配。但实际输出外来源特性是不可能完全一样,如果其中一个模块的电压参考值较高,输出电阻较小(外特性斜率小),则该模块将承受大部分负载电流,负载增大,运行于满载或超载限流状态,反之另一个负载过轻或空载。如果利用反馈控制的方式将各模块的外特性斜率调整得接近,则可使模块的电流分配接近均匀,这就是均流技术的基础。
2.2最大电流自动均流法
目前,在电源的并联系统中,实现均流控制常用的几种并联均流技术有:下垂法、主从均流法、外部控制电路法、自动均流法、最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法。下垂法虽然简单易行,但负载效应指标较差,均流精度太低。主从均流法和自动均流法都无法实现冗余技术,一旦主电源出故障,则整个电源系统都不能正常工作,使电源模块系统的可靠性得不到保证。外控法的控制特性虽好,但需要一个附加的控制器,并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线。而最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法依据其特有均流精度高、动态响应好及可以实现冗余技术等性能,目前多采用这两种均流技术。
最大电流自动均流法的实质:在n个并联的电源模块中,输出电流最大的模块,将自动成为主模块,而其余的模块则为从模块。各从模块的电压误差依次被整定,以校正负载电流分配的不均衡。
最大电流自动均流控制电路系统外环为均流控制环,内环为电压控制环,各模块的输出电流检测信号VI经过二极管接到均流母线,由于二极管的单向导电性,只有电流最大的模块,相应的二极管才导通,通过该二极管与均流母线相接,均流母线的电压与最大的电流成正比,而对其他模块说,相应的二极管被阻断,这使得均流母线上的电压Vb反映的是各模块中输出电流最大模块的电流信号。电流最大的模块也自动成为主模块,各个从模块的VI与Vb(即VI max)比较后,通过均流控制器输出来补偿基准电压,Vr’= Vr -(VI- Vb),基准电压Vr’与负载反馈电压Vf进行比较放大,产生电压误差Ve,控制PWM及驱动器,从而达到各从模块均流调节的作用,自动实现均流。
最大电流自动均流法实现并联模块均流时,其主模块是随时变换的,随时根据系统中承担电流最大的模块。不断调整各并联模块分担的负载电流,实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。对故障模块自动隔离,正真实现系统冗余和热插拔。
自动限额均流法是泰坦电源自行设计的均流技术,与最大电流均流技术的研究是同步的,限额均流技术不仅能实现与最大电流法同样的均流性能,同时还提供了很好的电流控制性能,在电力通信中的电源系统得到广泛应用。
3高频开关电源模块的均流、散热、模块更换等运
行维护
高频开关模块是直流供电系统的核心部件,其可靠运行是通信系统安全运行的重要保证。高频开关电源模块运行中,总希望并联模块之间各个电流运行在均流状态,但事实上电源模块运行一段时间后,随着运行时间的增长,电源模块设备自身电子元件的老化,元器件的容差,元器件性能的变化差别,使电源模块的外特性与输出电压发生变化;另一方面,电源模块内部的控制均流电压环、电流环失控,各并联模块的均流母线(总线接口)之间接口是否可靠,各并联模块的输出电压(浮充、均冲)和充电电流设定是否一致,各并联模块的输出与母排的连接接触是否良好,都是影响并联模块均流原因。一旦并联模块不均流,必会造成输出电压较高的模块承担更多的电流,甚至过载,从而其他模块运行于轻载,甚至空载运行,其结果必然是分担电流多的模块,热应力大。当电子元、器件上升到50 ℃时,其寿命大为降低,仅为25 ℃时的1/6,降低了可靠性。因此,高频开关模块并联运行维护中,对影响各并联模块均流的连接点、接口、输出电压检查和维护,更好地使高频开关模块并联运行在均流状态。有效延长直流供电系统的平均无故障工作时间,提高单台高频开关电源模块的平均无故障工作时间。
高频开关模块最大电流自动均流法的应用,真正的冗余系统,则任何模块退出,都不会影响系统的运行。但有一点值得注意,当直流系统需要扩容或更换模块时,新模块的输出电(浮充、均冲)和充电电流设定与系统基本一致。避免新模块的输出电压与系统电压产生电压差出现打火现象,对电源系统的运行造成影响。
电源模块有两种冷却方式,即自然冷却和强迫风冷,两种冷却方式都有各自的特点,在电力通信中,电源模块多使用风扇强迫风冷方式,存在风扇的寿命问题,所以部分厂家采用了风扇故障检测技术,风扇一旦停转立即停机保护,避免风扇的损坏引起电源模块损坏。运行维护中,电源模块故障停止运行首先检查模块风扇,确认是风扇损坏引起的故障,更换即可恢复使用。
4高频开关电源模块的运行管理
通信系统的直流供电系统稳定,是影响电力通信网可靠运行的主要因素。保障电源稳定、可靠、安全、优质的情况下运行,佛山供电局电力通信系统中对电源模块运行管理方面重点采取如下几种措施:
①采用中心机房24 h人员值班制度,通过以太网络传输对辖管各变电站通信室、办公大楼通信实际营业大楼通信机房的电源模块实现远程实时在线监测,实时监控各个通信电源的工作状态,动态地显示监控对象的状态、参数和温度环境的变化,为电力通信电源的运行维护提供有效保障,为电源故障的处理赢得时间。②通过定期的巡视,检查电源系统的电流、电压值,检查各个模块的均流状态、排热风扇性能、灰尘程度、防雷元器件,对不符合技术要求的指标参数及时调整,使各模块平均分担负载,更换性能差的风扇和损坏的防雷元器件,清理灰尘程度大的模块,达到高校散热功能。③年度定检,除完成上述内容外,重点对高频开关电源模块进行最大负载能力试验,使各高频开关电源模块的输出功率满足其标称值。通过维护措施落实,提高了电源模块故障发生前的防御能力,有效地为电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
5结语
文章介绍了高频开关电源模块并联供电方式,最大电流自动均流方法及N+n冗余功能,分析了高频开关电源模块并联供电方式应用中影响电源模块均流的原因,通过在技术层面和运行维护管理层面措施的落实,有效地保证电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
参考文献:
[1] 刑岩,蔡宣三.高频功率开关变换技术[M].北京:机械工业出 版社,2005.
作者：金跃华
摘 要：本设计以STM32单片机为主控元件产生PWM脉冲，双向DC/DC电路为核心电路，利用以IR2103芯片为主的驱动电路控制双向DC/DC电路中场效应管的开关。电路采用闭环反馈控制，高精度的INA282作为采样电路核心芯片输出反馈信号，单片机根据反馈信号对PWM做出调整，对并联供电系统的输出电流电压进行稳定的步进调整，从而实现稳压输出及电流的不同比例分配。该系统的输出误差和负载调整率低，具有过流保护功能，经测试系统能输出稳定直流电压8V，电流误差绝对值小于2%，供电效率达到70%以上。
关键词：STM32单片机;开关电源;并联供电;过流保护;比例分配
protection;proportional distribution
1 引言(Introduction)
随着电源技术的不断发展，直流电源供电系统已广泛应用于工业生产、仪表仪器测量、航天军事、计算机控制和日用家居等领域。在直流电源的实际使用过程中，各种负载对于电源的要求越来越高，当单台电源不能提供负载持续工作的全部容量时，就需要多个直流电源模块并联使用，以提高电源的容量、功率、精度和运行的可靠性。由于电源各自参数的差异性，使得各个电源的输出电压和内阻均会存在差异，当其中一个电源发生故障，其他电源往往处于重载工作状态[1]，无法满足电源的稳定性和安全性的要求。因此将多个小功率开关电源[2]模块以“积木式”并联组合起来，较单个大功率电源系统有稳定性强、灵活性高、效率更佳和方便维护等优点。本文设计了利用STM32单片机控制，以双向DC/DC电路为核心电路的开关电源模块并联供电系统。本供电系统对输出电压电流进行采样检测，反馈至单片机闭环控制，从而实现输出电压恒定和电流成比例分配的功能。并采取过流保护措施，保证电源模块不会损坏，极大地提高了并联供电系统的稳定性和可靠性。
2 并联供电系统总体设计(Parallel power supply system overall design)
本系统由两个DC/DC电源并联模块、单片机控制模块、电压电流采样检测和过流保护模块等部分组成。输入的24V直流电压通过两个额定功率均为16W，输出电压为8V的DC/DC并联电源模块降压，利用STM32产生PWM脉冲，高精度的INA282作为采样电路核心芯片输出反馈信号，单片机根据反馈信号对PWM做出调整，对并联供电系统的输出电流电压进行控制和调节，电路采用闭环反馈控制[3]，极大地提高了并联供电系统的稳定性和可靠性，实现高精度调控。该系统的输出误差和负载调整率低，经过测试，该系统能很好地输出稳定直流电压8V，实现两路电流不同比例的分配，且各模块电流误差绝对值小于2%，系统总体供电效率达到70%以上，并且当系统的总电流超过设定值4.5A时，会启动过流保护及自动恢复功能。系统总体设计如图1所示。
3 并联供电系统的硬件电路设计(Hardware circuit design of parallel power supply system)
3.1 主控模块单片机的选用
采用超低功耗的STM32单片机作为开关电源模块并联供电系统的核心主控模块，STM32是低电压、低功耗、高性能的ARM Cortex-M內核[4]的32位微控制器。STM32外设丰富，功能齐全，有高达112个的快速I/O端口、13个通信接口、11个定时器、3个12位的us级的A/D转换器和2个通道12位的D/A转换器，相对于其他单片机而言，低能耗、集成广、主频高、操作简单、适应强、调试方便、稳定性高。它能通过内置定时器产生占空比不同的PWM波，改变PWM波的频率，实现实时监测和调节。
3.2 DC/DC核心控制电路的设计
本系统的核心电路主要为两个双向DC-DC电路并联构成的供电系统。输入直流电压，通过DC-DC并联结构降压，经STM32芯片采样、控制和调节，输出稳定的直流电压。
一个双向DC-DC电路可以看作可由两个单向DC-DC变换器反向并联而得，进而更高效的实现高压能量端与低压端之间的双向流动。DC/DC模块并联原理图如图2所示。
本文中研究所用到的是其中的Buck降压电路端。相比于纯Buck电路，它的优点在于二极管两端并联了一个MOS管，自举回路[5]不会变成低阻回路，解决了电路在小电流时无法满足 (其中D为占空比)的线性条件。图3为DC/DC模块并联电路图。
STM32单片机分别给两个DC/DC电路各提供一路可调占空比(D)和频率的PWM调制信号，两路PWM信号分别通过以IR2103芯片为核心的驱动电路，各产生两路频率相同、相位互反的增强PWM，用以驱动DC/DC电路上的四个MOS管，来实现输出电压大小的变化。
如果对上下两个DC/DC电路同时进行电压和电流的操控，就难以平衡输出电压的大小和电流的分配。因此，针对电压和电流两个指标，将两个DC/DC电路拆分为一个恒压源和一个恒流源分别进行控制。在稳压源输出电压稳定的情况下，并联总电压大小必定稳定;在总电流一定，恒流源输出电流恒定的情况下，另一路的电流必定也被钳制在稳定的范围内波动。
3.3 DC/DC核心控制电路的设计
采样电阻采用电阻极小、有较宽的使用温度范围的康铜丝，利用康铜丝上通过的电流转换为微弱的电压，从而能够准确地反映出电路中电流的微小变化。但数量级较小的采样电压易与电路自带的电压波动混淆，无法输入单片机进行精确的数值读取。因此必须将采样电压放大后再输入STM32单片机，减少噪声对其精确性的干扰。
INA282是TI公司生产的一款高精度，宽共模输入范围[6]的双向电流检测器。该芯片为内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器。使用INA282作为采样电路的核心芯片，通过它将采样电流稳定放大约50倍，将放大的输出电压经可调电阻进行分压，保证最大的输出电压在3.0V左右，低于STM32单片机可承受的最大输入电压3.3V。采样电路原理图如图4所示。
4 并联供电系统的软件设计(Software design of parallel power supply system)
并联供电系统软件设计采用Keil5作为开发平台，用于处理采样收集的反馈数据和实时改变单片机输出的调制信号。系统程序采用模块化方式设计，主要包括三通道ADC采样[7]，电流分流比例调整，PWM波占空比实时调整等，根据流程图各功能模块的算法程序设计：在程序开始对各功能模块进行初始化，启动并联供电系统开始工作。当电路系统稳定工作后，调整负载以改变总电流大小，STM32单片机不停地檢测与采样电路输出相连的单片机I/O口，一旦查询到I/O口有信号，就进入相应的子程序其执行程序，控制PWM波的输出情况，实现稳压分流的最终效果。图5为并联供电系统软件设计流程图。
4.1 PWM波的输出
双向DC-DC电路的输出电压大小除了与输入电压有直接关系外还与通断MOS管的PWM波的占空比有关，单片机通过引脚上的I/O口输出PWM信号，在输入电压给定的情况下用以驱动DC/DC电路上的两个MOS管来实现输出电压大小的变化。初始化程序片段如下：
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;
//设置在下一个更新事件装入活动的自动重载寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;
//设置用来作为TIM1时钟频率除数的预分频值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上计数模式
脉冲宽度调制模式可以生成一个PWM信号，该PWM信号频率由ARR寄存器值决定，其占空比则由CCR寄存器[8]值决定。程序片段如下：
void TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx， uint16_t Compare3)
{
assert_param(IS_TIM_LIST3_PERIPH(TIMx));
TIMx->CCR3=Compare3;
}
4.2 稳压源PWM波实时调整
单片机实时改变PWM波的占空比，实现输出电压大小的变化，从而控制电压或电流。
依据Buck电路(其中D为占空比)的公式，当检测到输出电压小于设定值，则增大PWM波的占空比来增大接下来的输出电压;反之，减小PWM波的占空比。以下为在主函数内稳压源端PWM波动态调整以稳定电压在设定范围内的程序片段：
int main(void)
{
u16 adcx，adcy，adcz; //adcx稳压源电压采样，adcy恒流源电流采样，adcz总电路电流采样
TIM1_PWM_Init(9999，0); //定时器两路PWM对应IO口PA8，PA9
Adc_Init();
u16 zhankongbi1=3850; //恒流源一路PWM1的占空比
u16 zhankongbi2=3800; //稳压源一路PWM2的占空比
u16 z1，z2; //根据总电流大小调整，设定范围z，其中z1是最小值，z2是最大值
TIM_SetCompare3(TIM1，zhankongbi1);
while(1)
{
adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_0，255);
//获取稳压源的采样 //转换值adcx=采样值*
4096/3.3
if(adcx>2340) //输出电压8V的转换值在2300-2340之间
{ zhankongbi2-=5;
TIM_SetCompare4(TIM1，zhankongbi2);
}
if(adcx<2300)
{ zhankongbi2+=5;
TIM_SetCompare4(TIM1，zhankongbi2);
}
}
4.3 ADC采样监测
单片机通过ADC通道获取采样电压，通过短时间内多次采样取平均值[9]得到相对准确的数值。程序片段如下：
u16 Get_Adc_Average(u8 ch，u8 times)
{
u32 temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t
{temp_val+=Get_Adc(ch);
delay_ms(5); }
return temp_val/times;
}
4.4 比例确定及步进逼近
单片机从I/O口接收到的反馈电压信号通过转化公式： 转化成adc采样值进行比较。由于硬件电路具有自带的噪声波，导致必定会产生不可避免地误差，因此本研究通过步进加减[10]改变PWM占空比使反馈值不断逼近计算结果得到的adc值，使反馈得到的adc值重复进入子程序自动调整，最后在一个小区间范围内稳定波动。以下为查询步进式调整恒流源端PWM信号占空比的函数adjcurrent()。
void adjcurrent(int z1，int z2)
{
if(adcy>z2)
{ zhankongbi1-=5;
TIM_SetCompare3(TIM1，zhankongbi1);}
if(adcx
{ hankongbi2+=5;
TIM_SetCompare3(TIM1，zhankongbi1);}
}
在主函數内需要根据采样得到的总电流采样值adcz确定均流需要调整的比例，当adcz进入一个设定范围，就默认其总电流达到了一个确切值，通过判断语句后进入子程序。子程序内根据总电流采样值adcy要逼近的计算值预设定了其允许波动的上下限值z1、z2，根据极值z1、z2调用执行adjcurrent()调整电路。
if(adcz>=3100&&adcz<3140)
{z1=2520;z2=2350;
adjcurrent(z1，z2);}
4.5 过流保护
当调整负载后总电流值超过4.5A时，单片机的采样值adcz经过判断后进入子程序，在子程序内设置两路PWM信号的占空比为零，此时相当于单片机的I/O口没有调制信号输出，电路没有驱动信号不工作。延时6秒，在期间手动将负载阻值扩大，防止再过流，6秒过后PWM波恢复输出且占空比为重新设定的初值。
以下为过流保护的程序片段：
if(adcz>1240) //判断过流
{ zhankongbi1=0; //过流保护
zhankongbi2=0;
int i;
for (i=1;i<=6;i++) //延时6秒
{ delay_ms(10000);}
zhankongbi1=2000;
zhankongbi2=2000; //自动恢复
}
5 测试方案与结果(Test plan and results)
通过多次测试和误差计算，实际测试效果均达到并超出预期指标，测试结果如表1所示。
6 结论(Conclusion)
本文设计了一款以双向DC-DC电路为核心的开关电源模块并联供电系统，通过以INA282芯片为主要器件的采样放大电路，将取得的电压反馈给STM32单片机的A/D转换器[11]进行采集，软件部分通过单片机产生PWM给模块提供控制电压，对硬件进行控制，构成闭环控制结构，实现了并联电路的电压稳定输出、按比例调节分流和过流保护的功能。经过测试，该系统供电系统的效率不低于70%，在指定比例下的电流误差绝对值不大于2%，过流保护调试时偏差在±0.2A以内，验证了本文所述电路参数的正确性及控制策略的可行性。
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作者简介：
厉 俊(1999-)，男，本科生.研究领域：电子技术及信息科学，电力电子技术.
郑佳蕙(1999-)，女，本科生.研究领域：电子技术及信息科学，电力电子技术.
作者：厉俊 郑佳蕙
【摘 要】论文对电源管理模块的原理功能进行了描述，对产品内部的BUCK稳压、锂电池充电管理、Boost升压、电源切换、单片机控制等电路模块的设计原理进行介绍。
【
【關键词】车载产品；供电管理；电源管理模块
【
1 整体方案框图
本电源管理模块为车载重量检测仪相关产品设计，满足车载产品的电源管理应用需求。本产品的主要功能是将车载电瓶的电压转换成重量检测仪系统工作电压，同时为车载重量检测仪内置锂电池充电；在车载电瓶断开后无缝切换至锂电池供电；模块能够为后端的ARM芯片提供电源输出控制、电量信息输出等信息。为满足客户的需求，产品主要由以下几个部分构成：反激稳压、锂电池充电管理、Boost升压、电源切换、单片机控制等电路。
2 各部分详细方案
2.1 反激稳压电路
根据产品技术要求，总结得到反激稳压电路设计具体参数：
输入电压：17VDC-36VDC； 输出电压：9±0.1VDC；
纹波噪声：100mVp-p； 输出功率：最大20W；
输入与输出关系：隔离；
保护功能：输入欠压保护（17VDC），输出短路保护。
根据反激电路设计和调试经验，该反激电源与普通反激电源相比较并没有特殊性，不是本产品设计过程中的难点。在设计过程中应注意降低产品成本、提高产品可靠性。反激稳压电路将采用成熟的隔离反激拓扑，可以实现输入欠压保护、输出短路保护等功能；而且具有输入电压宽，调试简单等优点。电路基本框图如图1和图2所示：
2.2 锂电池充电管理电路（BQ2057）（TP5100）
锂电池充电管理参数：
输入电压：9±0.1VDC ； 电池参数：7.4V/2AH；
充电电压：8.4±0.1VDC； 充电电流：0.5A；
充电过热保护功能（电池温度超过45°C）；
防止电池过放电保护功能（电池输出电压低于6±0.1V）。
本产品采用BQ2057锂电池充电管理芯片，配合较少的外围器件可实现低成本的锂电池充电器，非常适用于低成本的紧凑产品设计。BQ2057的充电分为三个阶段：预充阶段、恒流充电和恒压充电阶段。该芯片推荐工作电压为4.5V-18V，通过配合PNP型三极管或者P沟道MOS管，辅以电池内部自带的NTC温度采样电阻，即可实现锂电池的三阶段充电和过温充电保护。图3是BQ2057配合PMOS管使用的典型电路图。
2.3 Boost升压电路
Boost升压电路参数：
输入电压：6VDC-8.4VDC ； 输出电压：9±0.1VDC；
纹波噪声：100mVp-p ； 输出功率：最大10W；
外部控制使能； 输入欠压保护，输出短路保护。
根据Boost升压电路设计和调试经验，该Boost电路没有特殊性，不是本产品设计过程中的难点。在设计过程中应注意降低产品成本、提高产品可靠性。Boost升压电路将采用LM5022作为控制芯片，可以实现输入欠压保护、输出短路保护等功能；而且具有输入电压宽，调试简单等优点。
2.4 供电切换电路
本产品具有供电切换功能：①当外接电源符合模块输入要求时，模块应切换至外接电源供电，同时对锂电池充电；②当外接电源电压低于17VDC（24VDC电瓶）时，模块切换至锂电池供电；③切换时间少于400μs。由于产品技术协议要求切换时间少于400μs，考虑到设计难度和实现成本，将两路输出通过输出二极管并联短接的方式进行连接，如图4。这种方式控制简单，实现成本低，能够满足客户要求。
2.5 单片机控制电路
单片机在本产品中主要实现以下功能：锂电池电量信息采集，锂电池输出控制功能，产品输出功能，RS232通信功能。为实现上述功能，設计了单片机外围电路，主要有供电电路、模拟信号处理电路、I/O口输出驱动电路、RS232电平转换电路，如图5。
3 总结
单片机作为产品的控制核心，通过采集产品的输入、输出电压和电流对产品输出端的通断开关进行控制，从而对产品的电源进行管理；并通过温度传感器对产品环境温度进行采集，实现整个产品的温度保护。本产品的设计原理和设计方法已经经过了市场验证，满足车载产品的电源管理应用需求。
作者：王铁举
摘要：伴随着我国民用飞机设计的不断发展，各类机载设备中的电源模块已不再是单一供电设备的代名词，智能电源的出现使得电源的设计更为复杂、功能更为多样。如何进一步提高对电源模块的监控变得越发突出。从智能电路设计研究出发，按照电路功能划分，详细描述了软件架构，同时运用自检测技术(Built-In-Test，BIT)提升了智能电源的可控性和智能性。实际使用证明，该电源智能电路在智能配电软件的控制下能够良好地满足智能监控和控制功能，保障机载设备运行的安全。
关键词：电源模块;智能控制;自检技术;微控制器;人机交互;民用飞机
隨着我国某型飞机的首飞成功，机载电源模块已不在单纯完成对设备内部提供符合标准的交直流电，智能化和数字控制等方面的设计对于机载电源越发重要，同时如何更好地监控和维护电源已经成为飞机设计者和制造商关注的重要问题之一，因此民用飞机智能电源的设计变得越发重要，相对于传统电源系统，智能电源系统具有以下优势：1)便于控制和维护;2)功能的多样性和扩展性;3)实现人机交互。
1 总体框架
该智能电源模块需要向信息系统中的六种功能模块提供独立电压输出控制，并且监控每路的输出电压、电流，同时对电源模块的状态进行监控，支持系统的维护要求。
该智能电源采用单相115V、400Hz交流供电，经过前端交流电路的处理，为后端提供6路12V的直流电压以及3.3V和28V直流电压。为了实现模块智能控制功能，采用Atmel公司设计的ATmega128 MCU作为整个电源的控制核心，通过外围电路的配合，采用软件控制的方式实现电源模块的检测控制功能、信号处理功能、故障识别及处理功能和人机交互功能。整体设计框图如图1所示。
2 智能部分硬件设计
2.1 开关控制电路设计
独立控制供电是智能电源模块的关键技术之一，当系统内部某个模块出现故障的时候，关闭该路电源输出，可以有效地防止故障的扩散。采用传统的功率开关和驱动电路组成的控制电路不仅控制精度不高，无法对细微的变化做出有效的控制，而且占用印制板面积较大，不利于电源模块的小型化。因此，采取开关控制器硬件控制输出配合MCU软件控制输出的方式，开关控制电路主要功能是对6路12V的智能供电控制、过压过流保护。具体设计框图如图2所示：
本设计采用TI公司推出的TPS24720开关控制器，该控制器电压范围2.5V～18V，具有输出使能、硬件过压过流保护功能，满足3.3V和12V电压的开关控制，同时可调节电压、电流门限，并且该芯片提供监控电流采集点，精确地反映该通路上电流的大小。28V电压的开关控制采用TI公司推出的TPS2492开关控制器。
2.2 监控电路设计
监控电路的功能是监控开关控制器流过的电流以及输出电压，提供给ADC完成模数转换并传输给MCU，通过MCU完成对各模拟量的监控。
该监控电路需要实现对直流电源12V、3.3V电压和电流的监控，以及28V电源电压和电流的监控，采用模数转换器(ADC)配合MCU的方式监控电压、电流值，并通过软件控制开关控制器的输出使能，本设计中共采用4片ADT7516和2片Si8902 ADC配合MCU完成模数转换和监控。ADT7516是一款多功能四通道10-bit ADC，内部集成温度传感器，最大转换速率为22.5KHz，内部有2.28V参考电压;SI8902是一款隔离三通道10-bit ADC，转换时间为2us，隔离率最大为5KV。具体电路如图3所示：
MCU采用SPI总线完成对ADC的读写控制，通过MCU控制3-8译码器(74LVC138)完成对各ADC的片选，采用软件查询的方式对各通路电压、电流的采集，完成对各通路状态的监控，经过数据处理、逻辑比较，完成对各通路的开关控制。通过串口可以将采集的电压、电流值实时显示出来，供维护人员实时掌握电源模块的工作状态。
2.3 离散量电路设计
2.3.1 离散量输入接口电路设计
机舱内部输入的地/开信号经过离散量输入接口电路输入到MCU中，该电路不仅实现了输入信号去抖动，消除了虚假抖动信号对模块产生的虚假控制操作，而且实现外部输入信号与内部电路处理信号的电气隔离，在实现原理简单、可靠性高的基础上，引入了外部离散量BIT测试，具体电路如图4所示：
离散量开关连接的二极管防止外部高电平输入对内部电路的损坏。当外部离散量开关打开，即外部离散量接地，光耦导通，延迟器输出为低电平;当外部离散量开关关断，外部将信号上拉至28V，经过电阻分压和钳位电路保证施密特触发器输入端电压为3.3V，光耦不导通，延迟器输入由电源3.3V上拉，因此输出至GPIO管脚的电压为高电平。
2.3.2 离散量BIT测试电路
MCU通过离散量BIT测试电路可以有效测试离散量通路的正确性，可以在电路调试过程中及时定位和发现问题，极大地减少了电路调试维护时间，具体电路如图5所示：
由MCU的两个GPIO管脚控制电路输出离散量BIT信号，输入到图4离散量输入接口电路中， MCU采集延迟器的输出，从而可以回环测试离散量电路的正确性，由于两个开关不能同时闭合，否则会产生短路，因此通过以上电路设计，即可以隔离外部输入信号与内部处理信号，同时又可以防止信号短路的发生。
3 智能配电软件设计
3.1 需求分析
智能配电软件是实现智能电源健康管理和智能控制的重要组成部分，主要负责对电源模块输出通路的通断控制、BIT检测、故障处理、数据存储和上报、人机交互以及通过I2C接口实现电源模块和外部功能模块的信息交换。针对智能配电软件的需求，可以分为4种工作模式，分别为初始化模式、正常工作模式、人机交互模式以及故障处理模式。
3.2 软件构架设计
嵌入式软件开发以硬件电路为基础，依托于驱动程序，实现顶层应用开发，因此智能配电软件采用分层化的方式进行软件开发。其分层结构图如图6所示：
初始化模式根据离散量的状态进入不同的上电初始化内容和工作模式，接着进行上电BIT检测，完成MCU检测、NVRAM检测、RTC检测、温度检测、中断检测、离散量检测等。
正常工作模式下，在加电BIT检测结果正确时，按照NVRAM中的工作构型文件的加电顺序及加电间隔，控制输出支路的通断，有效的解决各模块间因初始化时间的差别带来的影响。随后进行周期BIT检测。
故常处理模式下，根据BIT检测结果进入不同的故障处理流程，根据需求涉及11种检测。
人机交互模式主要是飞机在进行地面维护时提供给维护人员的操作界面，人机交互提供三级菜单，用户可以通过菜单项选择不同的控制操作，进行BIT检测，并通过RS232接口实现工作、软硬件构型信息的显示和更新。
3.3 智能监控
智能监控是智能配电软件的核心功能之一，监控程序为单任务周期运行方式，当第一次上电时，由于没有进行人机交互模式中的工作构型信息的更新，因此采用默认的加电顺序、加电间隔以及3.3V、12V、28V电压、电流预设门限进行监控;在周期BIT中MCU分时对各通道开关控制器输出端的电压进行采集。当开关控制器流过的电流大于门限范围时硬件自动切断输出;当采集到的电压或者电流不满足电压、电流门限范围时，由MCU软件控制关断相应通路，通过软硬件结合控制方式不但可以增强对供电模块的保护，同时反应速度较快，能够及时监控各电压、电流实时采集值，完成相应通路通断控制。
3.4 BIT检测
该电源模块在软硬件设计之初，充分地考虑到了BIT检测，即依靠模块或系统具备的电路和程序，监控和检测自身运行状态，并对产生的故障进行诊断、隔离、记录和控制。电源系统的BIT检测技术主要包括硬件检测、信号处理、故障识别和故障处理四个部分。智能配电软件根据BIT执行的阶段的不同分为上电BIT、周期BIT和维护BIT三个部分。BIT检测结果充分地反应了当前电源模块的状态，BIT检测是智能配电软件的重要组成部分，贯穿于软件的各种工作模式中。图7清晰的表明BIT检测和整体软件流程图之间的关系。
4 测试方法与分析
功能测试中，由1块烧写了智能配电软件的电源模块、1台电源模块调测台、1块文件服务器模块、1台文件服务器模块调测台以及2台4通路电子负载装置构成。电源模块调测台通过RS232接口和PC机相连，电源模块调测台和文件服务器模块调测台通过I2C调测线缆相连，6路电子负载连接到电源模块调测台的6路12V输出端口，配置电子负载各路额定电流为4A。测试内容如下所示：
a. 采样数据读取：在人机交互模式下，温度显示45.2℃，各路电压、电流值显示均在指定范围内，误差低于±2%;
b. 电流测试：在人机交互模式下，通过更改外部电子负载的额定电流值，各路电流值显示均在指定范围内，误差低于±2%;
c. 过流测试：在正常工作模式下，更改外部电子负载的额定电流值，使其超过智能配电软件内部配置的电流最大门限(5A)构型信息，对应通路输出关断正常;
d. 掉电恢复测试：在过流测试的基础上，将额定电流值恢复正常，通过CBIT检测，该通路恢复供电正常;
e. 故障信息存储：在正常工作模式下，模拟电源模块遇到的故障，比如过流故障，随后重新上电，进入人机交互模式时，读取NVRAM中故障记录地址空间信息，正确的显示过流错误代码和相应的时间信息。
测试结果显示，通过智能配电软件，智能电源模块可以实时、迅速地掌握电源模块的各种状态信息，各通路的控制灵活准确，极大的方便定位和查找电源模块出现的问题，并对故障能够做到及时规避。
5 结束语
本文主要描述了一种基于MCU的电源模块智能部分的软硬件设计，并引入了BIT檢测设计，在详细介绍智能硬件电路的基础上，从软件的架构和控制流程出发，阐述了软件的各功能模式。该电源模块已经圆满地完成了某型飞机的首飞任务，工作稳定可靠，为后续电源模块智能控制的硬件设计和软件开发提供了一定的借鉴意义。
参考文献：
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作者：杨启帆 赵腊才 韩康
POLA模块电源
板级电源设计的成熟度和可靠度直接影响着电子产品的稳定性。在设计复杂的板级DC/DC时，为了减小设计风险，提高设计成熟度，加快开发一次成功率，越来越多的方案引入了DC/DC电源模块。目前主流的DE/DC模块电源生产商主要分为DOSA联盟和POLA联盟两大阵营。
POLA模块是非开放标准的设计，所以要深入分析电路有一定难度。但是考虑到POLA模块电源的电路设计基本相同，所以笔者以PTH03030 POLA模块电路为例，对其电路设计进行了深度剖析。
PTH03030模块电源总体架构分析
PTH03030模块电源是一种非隔离的POLA电源，可输出30A电流，模块面积大约9cm2，采用PCB多层板设计，可以满足目前高密度板级电源的应用需求。例如多处理器、高速DSP系统等。
PTH03030模块采用高密度的双面-表贴设计，通过一个外接的电阻实现输出电压在0.8～2.5V之内可调，输出效率可以达到93％，工作温度范围为-40～+85℃。
PTH03030模块的产品外观如图1所示。
PTH03030模块的系统结构如图2所示。其中，自动电压跟踪模块能够跟踪电源电压的卜下电时序，实现输出电压时序控制；也可以实现成多个POLA模块的输㈩电压互相追踪，或者共同追踪外部电压的上下电时序。这个特点非常适合系统中需要多个电压供电且对于上电先后顺序有严格要求的板级电源设计方案。
ON/OFF使能模块用于控制模块电源的输出，在需要单独关闭部分板级电略功能的场合非常适用。
电压输出微调模块支持输出电压降检测和补偿调节。该模块还具有输出电压正偏或负偏的微调控制功能，可以使用在系统微调测试的场合。
PTH03030模块保护功能比较齐全，可以实现过温保护、过流保护、欠压锁定保护。
PWM BUCK控制模块设计分析
PTH03030H模块的降压PWM控制模块(U3)的局部电路如图3所示。
U3控制器内部主要有基准电源电路、软启动电路、30IkHz振荡电路、充电泵电路、过流检测电路等。
U3内部有0.8V的基准电源，用来和输出电压的反馈端于PWM_FB进行环路反馈比较。主流POLA模块电源的输出电压最低值是0.8V。
U3的软启动电路可控制上电速率，软启动延时时间大约为5～10ms，整个上电过程在15ms完成，典型软启动时间为6.5ms。在软启动功能运行时，TRACK管脚必须连接输入电源电压管脚，屏蔽POLA模块的自动电压跟踪功能。此时，模块电源的上电受内部的软启动上电模块控制。
U3内部的充电泵电路主要通过外接C20电容实现低输入电压的提升，满足内部部分电路高电压的要求。在3.3V输入的条件下，需要C20启动内部充电泵，在5V输入条件下，C20泵电容可以不接。
U3内置的过流检测电路可检测上臂MOSFET的导通电阻RDS(ON)上的电流。如果流过上臂MOSFE7的电路超过阈值，其管压降超过R12电路的压降，导致U]内部的过流比较器翻转，关断PWM输出，实现过流保护。
实际测试小，R12的电压设定在160mV左右，对应45A的过流保护阈值。如果需要实现不同的过流保护阈值，只需要更改R12的电阻值即可。
MOSFET功率模块分析
MOSFET功率模块的电路如图4所示。其中，Ul为MOSFET驱动IC，采用TI公司的TPS2834，可实现同步整流MOSFET并联对管的驱动。U1的第2管脚接PWM单路输入，经过内部的双路移相后，输出驱动后级同步整流上臂MOSFETQ2、Q3和下臂MOSFETQ1、Q4。
TPS2834的输出驱动特性比较优异，在输入3.3V，输出0.8V，满载30A负载电流时，MOSFET的驱动波形非常理想，无明显的振铃现象，TPS2834良好的MOSFET驱动特性保证了PTH03030可实现高达90％以上的转换效率。
DT管脚就是上下臂MOSFE了的死区控制管脚，连接到上下臂MOSFE了的中点，可防止出现上下臂MOSFET由于关断延时而瞬时直通造成的过流隐患。
升压模块分析
升压电路出U2及其外围电路组成(见图5)。U2是一款SOT-23封装的升压控制器，内置MOSFET，可极大地简化升压模块的外围电路，实现高密度的模块应用。
U2的开关频率最大可以达到1MHz，在输出相同电流的条件下，可以极大减小升压电感的体积和输出滤波电容的容量和个数。升压控制器内置过流保护功能，当升压输出电流达到400mA时，进入过流保护，使升压芯片不受进一步的损坏。
PTH03030模块的升压电压为6.5V，实际测试最高可以达到28V的升压輸出，升压后的电源提供整个模块的MOSFET驱动IC UI，电压跟踪比较运放的供电。
自动电压跟踪模块分析
PTH03030模块的一个主要特点就是支持自动电压跟踪控制，由施加参考电压在TRACK啣来实现。施加在TRACK脚上的电压和输出电压通过模块的低电压运算放大器进行实时误差比较放大，误差比较电压经下一级的电压缓冲后，直接控制PWM控制器的FB反馈电压。只要运放的输出响应足够快，就能保证PTH030]0的输出电压和TRA CK电压精密跟随上下电的电压输出时序。
自动电压跟踪功能典型应用电路如图6所示，2个模块的TRACK管脚一起连接到Q1的D级。系统上电时，控制电平为低电平，Q1关断，TRACK管脚电压上升，上下两块POLA模块的输出电压跟随了RACK脚电压同步上升，当模块达到各自的输出电压设定值时，电压自动跟踪完成，模块各自达到设定点，完成时序上电控制。当需要系统下电时，控制电平转为高电平，Ql导通，了RACK电压下降，模块输出跟踪下降。
的微调电压分压，可实现输出电压的正偏移输出，负偏电压微调输出同理。
保护功能模块分析
PTH03030模块的全局过温保护电路如图8所示。U4是一款SOT-23封装的温度传感器IC，通过和外围电路配合可以实现模块的过温保护输出微调模块分析
PT1103030模块的微调模块外部应用电路如图7所示。模块的微调输出电压正／负偏输出的控制脚分别是9和10脚，正偏微调电阻Ru，通过场效应管Q2接地，负偏微调电阻Rd通过场效应管Q1接地。当需要输出进入正偏模式时，只要在Q2的栅极施加高电平，使Q2导通，R回路导通，通过内部功能，防止模块电路出现异常过温烧毀的隐患。过温保护电路在模块温度超过OTP保护阈值时，会自动将INHIBIT使能管脚电压下拉，输出全局关断电压。
过温保护不采用芯片内置的过温保护电路，主要是考虑到POLA模块上的多种控制芯片的过温保护阈值存在离散性。而通过OTP电路实现全局过温联动，确实是不错的专业设计考虑。
PTH03030H的ON/OFF开关由INHIBIT使能管脚控制，可实现全局模块的关断或者输出。INHIBI了管脚不是TTL接口的电平，在设计阶段注意不能直接和3.3V逻辑器件的I/O直接连接，推荐接法如图9所示。
作者：任 谦
中国产业信息网()分析师指出:2011-2015年，随着中国步入“十二五”发展阶段，经济快速恢复稳定增长势头;国际产业转移持续加深;中国通讯领域3G及4G网络的建设，三网融合、物联网、流媒体、光纤宽带网络建设的持续深入;中国国防科技工业保持15%以上的增长，武器装备的科研建设和探月工程等重大工程的实施;以及高速铁路、中国战略性新兴产业的大力发展等，预计中国模块电源市场仍然将保持18%以上的平均速度发展。
模块电源是现代电子技术发展的新一带开关电源产品，主要应用于民用、工业和军用等众多领域，包括交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，模块电源的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超
出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。国内企业已经基本掌握了核心技术，产业投资不断增加，市场需求逐步攀升。
模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，模块电源的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。
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