某舰船武器应急发控系统供电电源硬件设计研究

2014-05-23李卫宁张国庆吴言凤

中国修船 2014年3期

李卫宁，张国庆，吴言凤

(海军潜艇学院，山东青岛 266042)

某型舰船武器应急发控系统设计能实现某型舰船武器发控系统故障时应急发射武器，对武器进行数据设定并控制发射的任务。在本系统的设计与实现过程中，武器供电电源的设计是一项重要环节，既要满足硬件接口的需求，又要达到系统软件控制输出所需电压的目的。本文根据硬件设计原则，确定硬件系统的功能，最后在可靠性分析和设计理论的基础上，对硬件系统进行选型和可靠性设计。

1 设计原则

结合设备工作环境及使用的特殊性，设计中充分考虑系统的科学性、合理性、先进性、实用性和可靠性。在硬件设计上进行最优化，提高武器应急发控系统的通用性和智能化，最大限度降低电磁干扰的影响。在保证系统性能的前提下，尽量缩小设备的体积，合理布局。设计过程中主要考虑以下设计原则［1］:标准化原则;安全性、可靠性原则;实用性和扩展性原则;体积最优化原则。

2 功能设计

针对设计需求，该供电电源的硬件应具有下列功能和要求:能通过主控计算机的RS－232C串口控制武器的电源系统，由连接的电缆给武器按程序供电;各种环境指标、电气指标符合军用设备的要求;硬件系统的可靠性指标在可以接受的范围之内。

3 武器供电电源硬件组成设计

3.1 总体设计

某型舰船交流电网路采用逆变电源供电，为提高效率，对用电设备必须做到低损耗、低干扰及低噪声。因此在本电源选型时，选择采用技术成熟的PFC(主动式功率因数校正)、高速MOSFET管驱动谐振式开关电源。其主要特点是功率因数可达0.99以上，总谐波失真 (THD)小于10%，减少了电网的无功损耗及电磁干扰。采用PFC的电源具有很宽的交流电压输入范围 (85～265 V)，这在一定程度上为电压不稳留有余量，对电源运行的可靠性显得尤为重要，同时采用LLC谐振式结构，降低了开关变压器和MOSFET管的损耗，电源的效率可达90%以上，提高了舰船电网的利用率。

根据需要设计该系统电源主要由EMI(输入电磁干扰滤波器)电路、PFC控制电路、PWM(脉冲宽度调制技术)控制电路及各种保护电路组成，可以由工控机输出的脉冲电压信号控制固态继电器输出，获得3路稳定的直流27 V输出。某型舰船武器应急发控系统的武器供电电源，其组成方框图如图1所示。

图1 武器供电电源组成图

3.2 供电电源模块功能及可靠性设计措施

以下是图1中各模块的功能、部分电路图及可靠性设计措施。

1)浪涌抑制保护电路。电网中的用电设备在开、关或电流突变时会产生浪涌电压，在输入电路两端加压敏电阻，浪涌电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，会烧毁保险丝以保护后级电路。设计的保护电路原理图如图2所示［2－4］。当有高压经电网导入电源时，由压敏电阻RV和熔断器FU组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，FU会烧毁保护后级电路。在开机瞬间，由于C13通过R13充电，VT7栅极电位不能立即建立，VT7不导通，输入电流通过R17限流，时间常数为R13×C13。随着C13的充电，VT7的栅极电位逐渐建立，并被稳压二极管VD5钳位，VT7处于饱和导通状态，R17两端接近短路，从而起到开机瞬间限制输入浪涌电流的作用。此电路的优点是正常工作时，损耗小，快速可靠，而采用负温度系数热敏电阻的保护电路，热敏电阻维持在发热状态，断电后降低温度需一定时间，连续通断时，限流作用可能失效。

图2 浪涌抑制保护电路图

2)EMI电路。由安规电容和差模电感组成双级Π型滤波网络，主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源产生干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网造成干扰。电路原理图如图3所示。由于PFC、PWM电路工作在不同的高频开关状态，为了降低对电网的奇次谐波干扰，可增加Π型滤波级数。

图3 EMI滤波电路原理图

3)整流、滤波电路。在电源中共有2部分，分别是输入端整流滤波和输出端整流滤波电路。输入端滤波后的交流电经全桥整流后，由高频滤波电容滤波，旁路PFC电流回路的高频成分。输出端整流滤波电路如图4所示。用于将开关变压器输出的高频交流电转换为平稳的直流电，由肖特基二极管VD6、VD7和固态电解电容器C20组成。肖特基二极管具有低压降、低功耗、大电流、超高速的优点，固态电容具备环保、低阻抗、高低温稳定、耐高纹波等优越特性，且导电性、频率特性及寿命均佳，适用于高频、低电压、大电流的应用。

图4 输出整流、滤波电路图

4)PFC控制电路。由集成控制芯片实现，以升压型高频有源PFC功率变换为基础，通过控制高频功率开关导通的占空比，强制输入电流跟踪输入电压，实现正弦化，并与输入电压同步，功率因数可达0.99以上，为减少谐波失真，采用单周期控制方式，工作在固定频率 (100kHz)和连续传导模式，总谐波失真 (THD)小于10%。常用可选的芯片有NCP1650、IR1150、MC33262、L6563、UCC28070等。使用IR1150芯片的PFC控制电路如图5所示。

PFC功率因数校正电路由栅极驱动电路、高频MOSFET功率开关管、升压电感和输出电容组成，选择合适的器件以降低损耗，减小输出纹波。

5)PWM控制电路。PWM(pulse width modulation)控制是一种脉冲宽度调制技术。目前，隔离型PWM控制的变换器其拓扑结构主要有正激式、反激式、推挽式和谐振式等，其中，谐振式变换器具有效率高、输出纹波小、滤波简单、负载可调范围大等特点。可应用的控制芯片有TL494、SG3525、IR2086、LM5041、 MAX5069、 ISL6752、NCP1396等。

本系统电源拟采用安森美半导体的半桥LLC谐振转换器NCP1396，电路原理图如图6所示。它内置驱动器，可高压直接驱动MOSFET，为构建可靠及稳固的谐振模式开关电源提供了所有必需功能，具有极低的待机能耗。它的关键特性包括:50kHz～1.0MHz的宽广频率范围、可调节的死区时间 (dead time)、可调节的软启动、可调节的最小和最大频率漂移、低启动电流、欠压检测、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性等。

6)输出电压取样电路。对直流27 V输出电压进行电阻分压取样与基准电压比较，差压放大后，通过光电耦合器送PWM控制电路，调整输出的占空比获得稳定的输出电压。如图7电路中由R38、R41分压取样，与稳压集成电路IC3内部的基准电压比较，经 R36、R37和光电耦合器 GO1送到NCP1396的PWM控制输入端。

另外，电源中还设计了采用NCP1396控制芯片［4］的栅极驱动电路，轻松实现跳周期模式来改善待机能耗以及空载时的工作效率。采用MXO－2000镍锌铁氧体E型磁芯的高频变压器作开关变压器，具有漏感小、磁耦合性能好、低损耗的优点，实现电压的变换和隔离，直接影响着电源的转换效率。采用JGC型直流固态继电器 (SSR)，其特点是无触点，隔离性能好，不产生干扰和串扰，驱动功率小，开关速度快，体积小来自工控机的控制信号能可靠隔离、快速控制直流27 V的输出。块，主要包括浪涌抑制保护电路、EMI电路、半桥LLC谐振转换器的PWM控制电路、整流滤波电路、栅极驱动电路，以及镍锌铁氧体E型磁芯的开关变压器、JGC型直流固态继电器等先进的电子器件，能充分满足可靠的输入稳压、调流，稳定输出需要电压的直流电对某型武器发射前提前供电，并且对舰船的电网干扰少，损耗小。满足了武器应急发控系统对武器供电电源的要求，达到了设计的目的。