王 亮 高志遠(yuǎn) 李盤文

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航空備份電源方案

王 亮 高志遠(yuǎn) 李盤文

航空電子設(shè)備和軍用設(shè)備需要在電源掉電后保持工作一段時間，進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)和正常關(guān)機(jī)操作。典型的方式是采用大容量電容并聯(lián)在電源輸入端，這種方式存在所需電容容量大，體積大，效率低下等缺點，通過提高電容充電電壓的方式可以大大延長掉電后的工作時間。

航空電子設(shè)備和軍用設(shè)備在母線電源掉電的情況下，需要維持一段時間的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和正常關(guān)機(jī)操作。不同的標(biāo)準(zhǔn)對掉電后工作時長有不同的定義和要求，最多可能需要7s。

為了在電源掉電后維持工作，通用的做法是用一個大容量電容連接在電源轉(zhuǎn)換器的電源輸入端，電源掉電后，由電容給電源轉(zhuǎn)換器提供能量。

典型的電路原理圖如圖1所示。

R1：功率電阻，限制浪涌電流

D1：肖特基二極管，模式切換

C1：大容量電容，能量存儲

這顆電容的選擇要根據(jù)系統(tǒng)特點，負(fù)載大小，DC/ DC轉(zhuǎn)換器的效率以及掉電后需要維持運(yùn)行的時間來決定，電容的容量可以通過下面的公式1計算：

其中：

C1：需要選用的容值（F）

P：DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端功耗（W）

Dt：掉電后需要維持的時間（S）

V1：電容的初始充電電壓（V）

V2：DC/DC轉(zhuǎn)換器正常工作最低電壓（V）

對于需要100ms維持時間，20W功耗，最低工作輸入電壓為16V、轉(zhuǎn)換效率為80%的DC/DC轉(zhuǎn)換器這樣一個系統(tǒng)來說，如果輸入為符合MIL-STD-704標(biāo)準(zhǔn)的28V母線，那么所需要的電容為：

所以要裝備10mF/40V的大容量電容器或電容陣列才能達(dá)到要求，如果系統(tǒng)工作在MIL-STD-704標(biāo)準(zhǔn)允許的最低電壓（22V），那么所需的電容容量還要加大才行。

使用這種方式的備份電源需要面臨兩個問題：

1）電容被充電至的電壓（V1）與輸入電源掉電時的電壓相同，電容存儲的能量隨著充電電壓降低而變小，某些情況下，可能導(dǎo)致V1與V2非常接近，這是就起不到備份電源的目的；

2）隨著功耗的提升，所需的電容值就越大，電容的體積就越大，占用寶貴的PCB空間，而且大容量電容在充電過程中，需要使用功率電阻R1來限制浪涌電流。

改進(jìn)方案

圖1　獨(dú)立電容備份電源電路

圖2　BOOST-BUCK備份電源原理圖

為了提升電容存儲的能量，減少體積，可以采用BOOST轉(zhuǎn)換器將電源電壓升高，提高電容的充電電壓，當(dāng)電源掉電后，直接使用電容供電或利用BUCK轉(zhuǎn)換器將電容上的高壓轉(zhuǎn)換成低壓使用。電路原理圖如圖2所示。

圖3　采用LTC3643的5V電源系統(tǒng)

圖4　采用HUD300的28V電源系統(tǒng)

正常供電狀態(tài)下Vin高于Vset，Q2開啟，Q1關(guān)閉，Vin通過BOOST電路將電壓升高，給電容C1充電，當(dāng)電源電壓低于Vset，Q1開啟，Q2關(guān)閉，電容通過BUCK電路放電，提供備份電力。

但是通過分立元器件搭建電路比較費(fèi)時費(fèi)力，通過現(xiàn)有的專用器件可以節(jié)省時間，減少占用體積，下面將介紹高低功耗兩種解決方案。

小功率方案

以5V系統(tǒng)為例，采用LINEAR公司的LTC3643的備份電源電路原理圖見圖3。

LTC3643將5V輸入電源最高升壓至40V給大容量電容充電，那么根據(jù)公式1，10W系統(tǒng)采用1mF/50V電容的掉電持續(xù)工作時間為：

大功率方案

以MIL-STD-704標(biāo)準(zhǔn)的28V系統(tǒng)為例，采用GAIA公司的HUGD300 HOLD-UP模塊的備份電源最高可提供300W的功率。電路原理圖見圖4。

LTC3643可將輸入電源最高升壓至80V給大容量電容充電，若電路后端使用的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入范圍是16～80V，效率為80%，100W系統(tǒng)想要掉電后持續(xù)100ms那么根據(jù)公式1，所需電容為：

若是采用獨(dú)立電容方案，那么

所需電容的容量太大，占用空間難以接受。

結(jié)語

通過使用BOOST-BUCK方法，雖然增加了部分成本，但是可以提高電容存儲的能量，降低對大容量電容的需求，大大縮小了占用的PCB尺寸，能夠減小航空電子設(shè)備的體積。本文中提供的兩種不同功率的解決方案值得在航空電子設(shè)備中推廣和使用。

王 亮 高志遠(yuǎn) 李盤文

中國飛行試驗研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.012