唐小貝

（海軍軍訓(xùn)器材研究所，北京102308）

某型訓(xùn)練指揮臺電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

唐小貝

（海軍軍訓(xùn)器材研究所，北京102308）

電源系統(tǒng)是為某型訓(xùn)練指揮臺內(nèi)部各設(shè)備提供能源支持的基礎(chǔ)單元。通過對電源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)分析，針對電源系統(tǒng)存在的3個方面不足，包括：啟動沖擊電流過大、電源開關(guān)存安全隱患以及風(fēng)扇組交流負(fù)載消耗不合理，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，即：應(yīng)用軟啟動電源降低啟動沖擊電流、利用低壓控制高壓提高安全性、使用直流風(fēng)扇替換交流風(fēng)扇降低交流負(fù)載消耗。實際應(yīng)用表明，在采用上述優(yōu)化措施后系統(tǒng)的可靠性和安全性均得到了明顯提高，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

電源系統(tǒng)；沖擊電流；開關(guān)電源

電源系統(tǒng)是所有電子設(shè)備能夠正常工作的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計時也是往往容易被設(shè)計者所忽視的一個部分。一個合理、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)可以大大減少系統(tǒng)故障的發(fā)生率［1-3］。某型訓(xùn)練指揮臺是某型號導(dǎo)彈地面指揮系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心設(shè)備，是對系統(tǒng)中其它設(shè)備的調(diào)度和信息管理中心。當(dāng)初設(shè)計時，其電源系統(tǒng)從性能和功能上滿足了設(shè)計要求，但從多年來使用和維護(hù)的情況來看，在安全性和可靠性方面，還需要對其電源系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

1　電源系統(tǒng)的組成

某型訓(xùn)練指揮臺的電源系統(tǒng)包括DC-AC大功率轉(zhuǎn)換電源模塊、交流排氣風(fēng)扇組、工控機(jī)和2個液晶顯示器，其組成框圖如圖1所示。

圖1　電源系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Diagram of power system structure

該訓(xùn)練指揮臺的電源系統(tǒng)是一個交直流混合系統(tǒng)，其輸入電源為+27 V直流電源，波紋不大于10%，由室內(nèi)穩(wěn)壓整流電源或野外機(jī)動電源車提供。

經(jīng)過DC-AC大功率電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，輸出3路 220 V、50Hz、功率為560 W的交流電源，具有過流、過壓和過熱保護(hù)等功能。分別給交流排氣風(fēng)扇組、工控機(jī)和2臺液晶顯示器供電。

交流風(fēng)扇組由4個220 V交流排氣風(fēng)扇組成，對整個機(jī)柜的內(nèi)部空間進(jìn)行通風(fēng)，形成上下空氣對流，對設(shè)備進(jìn)行降溫，達(dá)到風(fēng)冷效果。

工控機(jī)內(nèi)的開關(guān)電源為工控機(jī)內(nèi)的底版、主板和插卡提供+5 V、+12 V、-12 V、+3.3 V、+5 VSB等5組直流電源。

電源系統(tǒng)的加電過程為：

1）系統(tǒng)加電后，DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊立即工作，輸出3路220 V交流電源；

2）第1路220 V交流電源輸出到由4個交流風(fēng)扇組成的風(fēng)扇組，風(fēng)扇組立即運轉(zhuǎn)，開始通風(fēng)降溫；

3）第2路220 V交流電源為2個液晶顯示器供電，顯示器正常工作，等待CRT信號輸入；

4）第3路220 V交流電源輸出到工控機(jī)，當(dāng)按下“鍵盤柜”上的電源“按鍵開關(guān)”后，工控機(jī)才加電，經(jīng)過初始化等過程后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，加電過程結(jié)束。

電源系統(tǒng)的斷電過程為：

1）先將工控機(jī)進(jìn)行軟件關(guān)機(jī)，退出操作系統(tǒng)；

2）按“鍵盤柜”上的電源“按鍵開關(guān)”，使其彈起，對工控機(jī)斷電；

3）再斷掉系統(tǒng)的+27 V直流供電，DC-AC大功率電源轉(zhuǎn)換模塊停止工作，220 V交流電源停止供電，顯示器停止工作，風(fēng)扇停止工作，斷電過程結(jié)束。

2　電源系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

2.1電源系統(tǒng)分析

某型訓(xùn)練指揮臺的電源系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于部隊，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點，但在實際使用、維護(hù)過程中，發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)仍存在啟動沖擊電流大、電源開關(guān)位置不合理，以及風(fēng)扇組交流供電負(fù)擔(dān)大等方面的不足，需要進(jìn)行改進(jìn)。

1）啟動沖擊電流大。通過加入適當(dāng)?shù)碾娏?電壓轉(zhuǎn)換電路，并使用示波器現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)［4-5］，如圖2所示。系統(tǒng)啟動時的沖擊電流最大值約為23 A，而設(shè)計的DC-AC大功率電源轉(zhuǎn)換模塊的額定電流為2.55 A，相比模塊額定功率，要求的最大輸出電流的余量大為增大，導(dǎo)致設(shè)計難度加大。解決方法是要么增大輸出功率，就增加了成本；要么提高限流門限，就會降低電源轉(zhuǎn)換模塊的使用安全和壽命［6-9］。系統(tǒng)設(shè)計時采用了2種解決方案相互配合設(shè)計，暫時滿足了系統(tǒng)使用要求，但并沒有從根本解決問題，只是提高了DC-AC的輸出容量，比使用普通PC機(jī)啟動時（約10 A）大13 A左右。

圖2　啟動時沖擊電流測量Fig.2 Measurement of the starting impact current

2）電源開關(guān)位置不合理。工控機(jī)的電源開關(guān)位置與工控機(jī)不在一個機(jī)柜中，其交流電源線的連線圖如圖3所示，電源開關(guān)是通過將原來的開關(guān)上的電源線轉(zhuǎn)接過來實現(xiàn)的。220 V交流電源由“按鍵開關(guān)”直接控制，從工控機(jī)內(nèi)部經(jīng)過“轉(zhuǎn)接插座”到鍵盤柜上的“按鍵開關(guān)”，按下時交流的N、L線分別接通，再經(jīng)過“轉(zhuǎn)接插座”回到工控機(jī)內(nèi)，最后到開關(guān)電源，給工控機(jī)供電。當(dāng)按鍵開關(guān)彈起時，工控機(jī)就斷電。這樣的好處是保證了工控機(jī)的整體性，但因220 V高壓連線過長，存在一定的安全隱患，且會在工控機(jī)箱內(nèi)對系統(tǒng)內(nèi)的其他部件產(chǎn)生一定的電磁干擾。

圖3　工控機(jī)交流電源連接圖Fig.3 Diagram ofAC power connection circuit

3）風(fēng)扇組交流負(fù)荷大。按每個風(fēng)扇額定電流為0.1 A計算，4個就是0.4 A交流電流的消耗。風(fēng)扇組的作用是機(jī)柜內(nèi)部散熱，系統(tǒng)一啟動就一直工作，直到系統(tǒng)斷電，而且風(fēng)扇的抗噪、抗干擾能力也很強(qiáng)，沒有必要放在DC-AC之后，只會增加電源轉(zhuǎn)換模塊的負(fù)擔(dān)。

2.2電源系統(tǒng)優(yōu)化

針對電源系統(tǒng)中存在的3方面問題，采用相對應(yīng)的方法進(jìn)行優(yōu)化，包括沖擊電流優(yōu)化、開關(guān)電源優(yōu)化和風(fēng)扇組優(yōu)化。

1）沖擊電流優(yōu)化。電源系統(tǒng)啟動時沖擊電流較大的原因是其內(nèi)部的多個芯片器件需同時加電，以及開關(guān)電源的啟動電容需充電等因素共同造成的［10-15］。在使用市電時，由于市電本身的輸出電容大，且輸出最大電流的能力也很大，所以啟動沖擊電流（約23 A）對其影響較??；但大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出電容較小，一般為幾千μF到幾十mF，且最大輸出電流的能力也是有限的，一般幾百瓦功率輸出時其最大輸出電流約為10～20 A，難以承受高達(dá)約23 A的沖擊電流的多次沖擊（實際穩(wěn)定工作電流只為0.9 A），所以減少輸出電流是解決問題的關(guān)鍵。減小對大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊沖擊電流的途徑有2種：一是從產(chǎn)生源方面著手，減小后級沖擊電流的產(chǎn)生，改變其供電方式和上電順序，以減少其沖擊電流；二是從傳輸途徑方面著手，在大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊與后級之間進(jìn)行隔離或緩沖，如加入UPS穩(wěn)壓電源或者并聯(lián)一定容量的電容。

傳輸途徑方面在大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊的220 V交流輸出端并聯(lián)一個耐壓400 V、輸出電流14.3 A的工頻交流電容。增加了電源的瞬間輸出能力，減少了工控機(jī)開機(jī)時對前級電源的沖擊，起到能量存儲、開機(jī)緩沖和改善內(nèi)部電網(wǎng)質(zhì)量的作用。

2）開關(guān)電源優(yōu)化。工控機(jī)原來采用的是普通開關(guān)電源，開機(jī)時的沖擊電流較大且能源轉(zhuǎn)換率較低，可以更換為更為綠色節(jié)能的ATX開關(guān)電源［16-17］。若選用ATX開關(guān)電源，工控機(jī)的開、關(guān)機(jī)控制方式將得到改變，從而減少220 V交流電源線在機(jī)內(nèi)的環(huán)繞以及與人體發(fā)生接觸的可能性。同時，工控機(jī)的啟動也由原來的硬啟動改為軟啟動（也稱慢啟動），起到了保護(hù)大功率DC-AC轉(zhuǎn)換模塊和電源變換器的作用。其原理為，在開關(guān)電源內(nèi)部，當(dāng)開關(guān)電源的控制芯片上電時，反饋為零（或者小于期望值，例如在一個不隔離的反激電路中），變換器的占空比達(dá)到最大值。為了給輸出電容充電，變換器會從輸入抽取很大的電流，這個大電流流過功率器件可能會導(dǎo)致器件損壞，所以應(yīng)該將變換器的最大占空比限制在一個閾值內(nèi)，這個閾值需要隨著時間的增加而線性增大（可以通過對電容的充電過程進(jìn)行控制。當(dāng)電容充滿的時候，占空比也就達(dá)到了它調(diào)節(jié)輸出電壓所需要的穩(wěn)定值）［18-20］，因而采用ATX電源的軟啟動就可以有效地保護(hù)本級開關(guān)電源的變換器和前級輸入電源即大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊。

3）風(fēng)扇組優(yōu)化。通過對電源系統(tǒng)分析可知，為減少逆變電源的工作電流，將原來的220 V交流風(fēng)扇組更換為27 V直流風(fēng)扇組，在輸入直流未進(jìn)入DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊前，直接由輸入直流電源供電。這既減輕了電源轉(zhuǎn)換模塊電源輸出的負(fù)擔(dān)，又保證了機(jī)柜內(nèi)降溫功能的實現(xiàn)。

3　電源系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后的效果

通過對電源系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，對電源系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后電源系統(tǒng)的組成框圖如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后電源系統(tǒng)的組成框圖Fig.4 Structure of the optimized power system

工控機(jī)采用ATX開關(guān)電源后，220 V交流直接從后面板的電源插座輸入到開關(guān)電源內(nèi)。連接方式由原來的交流電源2進(jìn)1出變成單一進(jìn)入工控機(jī)箱，減少了對機(jī)內(nèi)部件的電磁干擾。

同時，開機(jī)加電控制采用軟啟動，由能自彈起的“按鍵開關(guān)”控制PS-ON信號與地的觸發(fā)即可實現(xiàn)，減少了接觸220 V交流電的可能，提高了設(shè)備用電的安全性。

采用直流風(fēng)扇組和ATX電源后，對DC-AC電源模塊的啟動沖擊電流也得到了降低，如圖5所示，與給普通PC機(jī)供電時的啟動沖擊電流相差無幾，約為11 A。所以可以進(jìn)一步降低前級DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出功率和最大輸出電流，降低了系統(tǒng)成本，增加了模塊的安全使用壽命。

圖5　優(yōu)化后啟動時沖擊電流測量Fig.5 Measurement of the starting impact current after optimization

4　結(jié)語

經(jīng)過優(yōu)化后的電源系統(tǒng)，總體能量消耗進(jìn)一步降低，啟動時對大功率DC-AC電源轉(zhuǎn)換模塊的沖擊電流明顯減少，使系統(tǒng)的可靠性能進(jìn)一步得到加強(qiáng)。同時，工控機(jī)的電源開關(guān)采用接觸開關(guān)后，由低壓控制高壓電源，使高壓交流電源只流向電源模塊，減少了與外部接觸的機(jī)會，提高了操作的安全性。實際應(yīng)用表明，已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化的目的，同時對其他多電源系統(tǒng)中的電源設(shè)計具有一定的借鑒作用。

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Optimized Design of Power Supply System of a Certain Training Command Console

TANG Xiaobei
（Naval Training Equipment Institute，Beijing 102308，China）

The power supply system is the basic unit of a certain training command console to provide energy support. Based on the analysis of the structure and function of the power supply system，the 3 existing problems of power system were analyzed such as starting impact current was too large，power switch existed potential danger and AC load consumption of fan group was not reasonable.Then some optimization method was put forward，such as using soft start power supply to reduce the startup surge current，using low voltage control high voltage to improve safety，and substituting DC fan for AC fan to reduce AC load consumption.The application results showed that the reliability and security of the power supply system was obviously improved with such optimization.

power supply system；impact current；switching power supply

TJ765.4

A

1673-1522（2016）04-0480-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.04.013

2016-04-08；

2016-05-31

國家部委科技基金資助項目（ZB200744）

唐小貝（1975-），男，工程師，碩士。