模块电源辅助功能的研制

2万 · 2014-6-27 00:18

　1 前言

　　随着机载技术的不断发展，为了满足机载设备对电源模块的要求，提高可靠性，节约飞机上的能源和空间，缩短研制周期，机载电源模块逐步向小型化、高效化和模块化方向发展，模块电源越来越多地用在了机载电子产品上。虽然模块电源具有许多优点，但在模块电源的研制过程中，由于重点放在了提高电源效率，减小体积上，尤其对输出功率较小的模块电源，其内部空间有限，有许多电源内部不具备输出电路的过欠压保护功能。同时在机载产品中，为了满足国军标GJB181-86对用电设备的要求，在地面电瓶车和机上电源转换期间以及汇流条切换过程瞬间，如何使机上设备正常工作，即怎样提高模块电源输出电压的保持时间，也是模块电源作为机载电源应重点解决的问题。本文针对上述两个问题进行了理论分析，并给出了相应的解决方案。

　　2 过压与欠压保护电路

　　过、欠压保护电路的作用是，当输出电压超过或低于设计值时，把输出限定在某一安全值的范围内，或使输出电压关闭，从而达到保护电源模块和用电设备的双重功效。

　　在以往用分立元器件组成的电源模块中，通常采用齐纳二极管和晶闸管组成的过压保护（OVP）电路（见图1），或集成化的OVP电路。前者的工作原理是，当过压现象发生时，齐纳二极管D发生雪崩击穿使V导通，把电源输出端短路，从而将过压保护转换为过流保护，这种保护一旦发生，只有把电源的输入电压断开几秒钟后，才能使电路恢复正常。而集成OVP保护电路是利用专门的集成电路（如MC3423），将过压采样信号加到感应电压端，当输出电压大于某一额定电压时，集成OVP电路输出高电平，该电平加至脉宽调制器的控制端，使保护电路开始工作。如果过压条件撤出，它可以使电路恢复正常。

图1 齐纳二极管和晶闸管组成的OVP电路

　　使用模块电源时，由于没有独立的脉宽调制器，因此采用上述两种方法进行过压保护是行不通的。为此，选用UC公司生产的UC3903芯片，实现对输出电压的过、欠压保护。

2万 · 2014-6-27 00:22

　　2.1 UC3903芯片的性能及特点

　　UC3903系列集成电路可以同时响应4路电压的过、欠压信号，内部的运算放大反向器允许至少1路信号为负电压。其内部包含过、欠压比较器，通用运算放大器，电源过压感应电路，过、欠压延时电路，启动锁存电路和3路OC（集电极开路）门输出电路等。

　　该集成电路内部的故障窗口调节电路可以很容易地实现过、欠压门限电压的编程控制，门限电压以2.5V为基准变化，具有与窗口宽度相关的输入滞后。一旦出现故障，UC3903的三个OC门输出可以吸收超过30mA的负载电流，这三个OC门输出分别对应过压（OV）、欠压（UV）和电源工作正常（Power OK）三种情况。除此之外，UC3903内部还包含一个独立的运算放大器，该运放可以实现其它辅助功能，例如用2.5V输出作为基准电压、感应和放大反馈误差信号。为了防止启动瞬间过压指示的误动作，UC3903内部还具有启动锁存功能。

　　UC3903的工作电压为8～40V，工作电流7mA。器件封装形式有PLCC20、LCC20表面贴装封装形式及双列直插DIP18塑封、陶瓷和表面贴装封装形式。其内部结构如图2所示。

图2 UC3903框图

2万 · 2014-6-27 00:22

　　2.2 管脚定义

　　VREF 精密的2.5V电压基准，可作为外部电路的基准电压。
　　WINDOW ADJUST 窗口调节。
　　SENSE 4 INVERT INPUT 过、欠压信号输入端4反向电压输入端。
　　SENSE 1－4 过、欠压信号输入端。
　　OV RELAY过压延时。
　　OV FAULT 过压故障，信号电平为低电平有效。
　　UV FAULT 欠压故障，信号电平为低电平有效。
　　POWER OK 电源工作正常指示。
　　LINE/SWITCHER SENSE 电网/开关感应端。
　　OUTPUT 通用运算放大器输出端。
　　N.I 通用运算放大器同向端。
　　INV. 通用运算放大器反向端。

　　2.3 典型应用

　　UC3903用于3路输出模块电源过、欠压保护电路的典型应用如图3所示。其主要原理是，多路监视器UC3903接收到各路输出电压信号后，分别与过、欠压门限电压比较，经过、欠压比较器检测，输出正常时OC门输出脚11（OV FAULT）、脚12（UV FAULT）、脚14（POWEROK）经过电阻R15上拉为TTL高电平。如果某一路或几路输出电压有故障（过压或欠压），该监控器的脚11，脚12或脚14即输出一个TTL低电平，此电平作为故障告警信号，加至模块电源的控制端，关闭电源模块的输出，实现过、欠压保护。

图3 三路输出模块电源过、欠压保护电路图

2万 · 2014-6-27 00:23

3 输出电压保持时间

　　3.1 保持时间的定义

　　开关电源中由于滤波电容的存在，在输入电压降低或关闭的过程中，使得输入电网电压从最低值到输出电压下降到系统无**常工作的临界值时，输出电压能够维持一段时间，这段时间称之为输出电压保持时间。

　　对于机载设备，按照国军标GJB181-86对用电设备的要求，输出保持时间有两个含义。一是指当输入电压欠压时，即直流输入电压降到8V，交流输入电压降到70V时，系统应能满足50ms的保持时间要求，也就是系统要能正常工作50ms。另一种是指当输入电压彻底断开时，系统输出电压能够保持多长时间，使得系统仍能够工作。

　　3.2 保持时间的计算方法

　　3.2.1 交流输入的保持时间计算

　　交流输入整流电路和整流波形分别见图4，图5。

图4 交流输入整流电路

2万 · 2014-6-27 00:23

图5 交流输入的整流波形

　　从图5中可以看出，从t0时刻开始，整流桥输出电压大于储能电容器C上的电压，整流桥导通，输入电网对C充电，同时向负载提供能量。在t1时刻，整流桥输出电压达到最大值，限流电阻R上的电压也达到最大值URm。然后整流桥电压开始下跌，C也开始放电，并和电网一起通过开关向负载提供能量直至t2时刻。而此时刻整流桥上的电压与电容上的电压相等，电阻R上的电压为零。在以后的t2～t3时间内，电容器处于放电状态，C放电直至t3时刻结束。

　　从以上的描述中，可以把在放电后t2至t3这一段时间称为输出电压维持时间tk，用公式表示为

tk=t3－t2 （1）

　　当t0到t1、t2的时间远小于tk时,则可近似认为电容C在tk时间内向负载提供能量,也即是开关电源的输入功率Pi.如果用U2、U3表示t2、t3时刻对应的输入电压,则维持时间可用公式表示为

tk= （2）

2万 · 2014-6-27 00:24

　　3.2.2 直流供电的开关电源保持时间

　　在直流供电条件下,开关电源输出保持时间tk的计算公式是

tk= （3）

　　式中：U2——输入电压最低时的电压值；

　　U3——输出电压下降到临界值时对应的输入电压。

　　3.3 延长输出保持时间的方法

　　由上述分析结果可以看出，输出保持时间的长短主要与输入电容Ci，电源输入功率Pi，t2、t3时刻对应的电压值U2、U3有关外，还与输出电容和输出负载也有一定的关系。虽然增加输出电容量亦可增加保持时间，然而增加输出电容量就意味着增加电源的体积和重量，而放电时间相对于充电时间较快，且与负载有关,因此相对于输入电容，输出电容对保持时间的影响几乎可以忽略不计。在体积重量允许的情况下,采取多个电容并联的方式来增大Ci容量，可延长输出保持时间。然而，随着输入电容的增大，电源启动瞬间的浪涌电流也会增大，使得功率管的峰值电流应力增加，从而增加了功率管的成本，降低了电路开启工作的可靠性。权衡考虑，除增加储能电容的容量外，适当设计辅助电路，使其在电网正常时不工作，仅仅在欠压瞬间工作，这样就可以减小启动瞬间的浪涌电流，提高正常工作时的电源效率，并且能够延长输出电压的保持时间。

　　对于直流供电的模块电源一般采用辅助升压电路，当供电电源低于某一设定值时，升压电路开始工作，将输入电压升高，使得在低输入电压情况下电源也能正常工作，从而拉宽了电网的工作范围，使电源在低电压和断电两种情况下的保持时间均得到了延长。

2万 · 2014-6-27 00:24

　　对于交流供电的模块电源，一般的模块电源均能满足宽输入电压的要求，因此延长保持时间主要指的是延长输入电压断电时的保持时间，采用图6所示的辅助电路可以将电源的保持时间延长将近1倍。其工作原理是，当输入电压正常时，电容C2上的电压为整流后的电压，且该电压经过二极管D和电阻R向电容C1充电，一旦电容C2上的电压低于C1上的电压，二极管D截止，电容C1上存储一定的电压，功率管Q1不导通时，只有电容C2上的电压加至模块电源上。当输入电压下降后，其它检测单路输出的控制信号加至Q2上，使Q1导通，而此时电容C2上的电压低于C1上的电压，这样C1上的电压向模块供电，相当于模块电源的输入电压升高，其结果必然使输出保持时间延长，而这部分电路在电网正常时并不工作，因此不会带来启动瞬间电流增大的问题。

图6 延长保持时间电路图

2万 · 2014-6-27 00:25

　　4 结语

　　由于使用了过、欠压保护电路，不仅使电源本身的保护能力得到加强，也使得电源的智能化水平有所提高。将电源正常指示信号和过、欠压信号通过接口电路加到计算机上，可以方便地检测电源的工作，提高电源的可测试性，进而提高了电源的可维护性。

　　使用辅助电路延长输出电压的保持时间，不仅电路结构简单，而且也较好地解决了增大输入电容与延长保持时间之间的矛盾，降低了起动瞬间的浪涌电流。

　　正是由于使用了上述电路，增大和完善了模块电源的功能，加上模块电源本身所具有的体积小、重量轻、集成度高和可靠性高等优点，模块电源势必会在机载领域得到广泛的应用。