基于模块电源的船舶集控系统嵌入式单板机电源设计

基于模块电源的船舶集控系统嵌入式单板机电源设计

引言

某船集控系统采用SBS公司VME总线嵌入式单板机作为中央控制台主控计算机，需要供给电压稳定、转换效率高、纹波和噪声系数小、散热良好的工作电源，且要求结构紧凑，便于与嵌入式单板机一起安装在标准的6u高度机箱内．

该电源设计可采用2种方法：从最基本的电源变换单元到完整的功能性样机，均进行自行设计；或以成熟的电源变换功能模块为基础，外加辅助性电路(输出电压调节、电压检测报警等)优化整合为适用、高效、可靠的电源模块．考虑到国内外电源领域知名公司针对市场需求已开发功能、品种齐全的模块化电源，采用第二种方法可更加灵活快捷地完成电源系统的设计开发，缩短开发周期，节省人力及设计成本．同时，以模块化电源为基础可大量减少外部接线、焊点或连接点，产品的可靠性将明显增加．

目前模块电源的国内外知名公司品牌产品主要有美国的Vieor、日本的Cosel和LAMBDA等，其中、Vicor系列模块在功率密度、散热管理、配置灵活性等各方面具有明显的优势，在恶劣环境和高可靠性需求场合应用广泛，是日前抗恶劣环境计算机的优选电源．本文根据项目实际需求，采用Vicor模块进行某嵌入式单板机的供电电源设计．

1 电源设计及实现

1．1 基本要求及技术方案

根据系统的电源供配电规划，待设计电源模块可取得2路DC24V输入电源，因此本题电源设计的基本要求是将Dc24V电源转换处理为符合单板机供电要求的Dc+5V和±12V工作电源．根据设计要求和Vicor系列模块电源规格，拟选用VI-IAM模块(输入衰减滤波模块，Input Attenuator Module)先对输入电源进行滤波，在此基础上选用VI-2W0、VI—JW1模块进一步转换为DC+5V和±12V，总体技术方案如图1所示．

1．2 双路输入冗余设计、输入电源状态监测及滤波

为提高系统可靠性，采用双路输人冗余供电，双路电源输入及输入电压上下限监测及滤波电路如图2所示．图中，两路DC24V输入电源经2个二极管进行冗余供电．为了满足EMC技术要求，降低噪声干扰，采用VI-IAM模块A1进行滤波．VI-IAM输入衰减模块是一种直流输入前端滤波器，该模块与Vicor变换器模块配套使用时，可以保证EMC技术性能要求．为实现对输入电压范围的检测，图中设置了以运放为核心的电压上、下限比较电路．当输入电压超过设定的上限或下限门槛值时，通过光耦产生输入电压异常信号，用于关断下位DC／DC模块．作为比较器使用的运放输入端比较基准电压由78l2的稳压输出端提供，而DC／DC转换器TME1212S的输出则用作光耦输出端电路工作电源.

1．3 DC／DC转换主电路及调节电路设计

DC／DC转换主电路及调节电路如图3所示．DC24V输入电压经VI-IAM输入衰减模块滤波后，再经VI-2W0和VI-JW1模块转换成+5V和±12V直流电压．为保证DC／DC变换器输出电压具有一定偏差范围内的可调节性，或保证当输入电压偏离一定范围或负载效应较大时仍能稳定在标称值，根据Vicor模块应用手册推荐的设计和计算方法在VI-2W0、VI-JW1模块输出端外接调压电阻网络．以VI-2W0模块+5V输出电压的调整为例，选配阻值为l0 kΩ 的电位器R4调整输出电压，电阻R2和R3则用于限制电压调低和调高的范围，当R2选用23．63kΩ、R3选用90KΩ，则输出电压可在±10％之间调整．图3中虚线框中的电路用于平缓DC／DC变换器输入电压的波动．当输入电压有较大瞬时扰动时，两个大容量的电解电容C13、C14将通过充、放电平缓输入电压波动，保证DC／DC变换器的正常工作．

1．4 DC／DC转换模块关断保护功能电路设计

当DC／DC转换模块输入电压、输出电压偏离较大时，为保证嵌入式单板计算机系统及接口板卡的工作可靠性，电源电路应设置自关断保护功能：即输入输出异常时自动关断电源模块，保护负载电路．本文设计的DC／DC转换模块关断保护功能电路如图4所示．

由于DC+5V是嵌入式单板计算机最重要的供电电源，应具备更高的电源品质，更好的稳定性，图4中的电压上、下限比较器电路检测DC+5V输出电压，当电压偏离正常值较大时，通过光耦产生输出电压异常信号．DC±l2V是计算机中风扇及其他接口部件的供电电源，电源品质要求可低于DC+5V，为简化电路设计，使用稳压管D3和光耦U4组成DC±12V输出电压状态检测电路．输入输出电压异常时由相关检测电路产生的关断信号作为或非门4002的输入，向外输出总的关断信号．当三极管Tl导通时，与其相连的Gate In脚的电平被拉低，DC／DC转换器关断．

1．5 其他问题

1．5．1 散热和结构设计

良好的散热设计对提高电源的可靠工作非常重要，散热不良极易引起电源品质恶化，实践表明电源功能故障也往往由高温热损坏引起．尽管Vicor电源模块的效率较高(80％ ～90％)，但仍有10％ ～20％的功耗，这部分功耗以热量的形式散发 ，本文设计电源模块安装在标准的6U高度机箱内，如不采取有效的散热冷却措施，这部分热量将使电源本身及机箱内部插件板温度升高，因此电源散热设计问题不容忽视．为妥善解决此问题，将电源壳体设计制作为具有良好散热特性的金属外壳形式，Vicor电源模块散热面安装在金属壳体上，机箱下方配置风扇对电源及其他电路板进行通风散热，藉此确保优良的散热特性．

1．5．2 电磁兼容性设计

良好的电源电磁兼容性设计是保证计算机和其它电子设备电磁兼容、免受干扰的有效途径，本文在前面所论述的电路设计中已采取相应措施，此处解释说明如下：

1)配套使用VI-IAM模块与DC／DC变换器，以满足EMC技术性能要求，降低噪声干扰；

2)在VI-IAM模块的输入端接入X型电容(图2中C1)，并在VI-2W0、VI-JWl模块的输入端和输出端到接地的基板之间分别接人Y型旁路电容(图3中C2、C3、C5、C6)，用于减少差模干扰和共模干扰，满足电磁兼容性要求；

3)电源采用封闭式的金属外壳，保证其良好的电磁屏蔽作用．

1 电源设计及实现

将基于Vicor电源模块、依据上述方法设计研制的电源接插于标准的VME总线机箱内 根据电气特性定义和要求连接好VME总线背板、给VME总线嵌入式单板机和其他接口设备供电，经过实验室试运行和长时间连续考核试验，表明基于Vicor模块设计和研制的电源各方面性能完全满足要求，文中提出的电源设计和实现方法无论在工作可靠性、功率密度、转换效率、负载特性、电磁兼容性和散热特性等方面均具有独到的优点．