曹佩武 馮云

摘要：針對(duì)某型引進(jìn)裝備中一種典型二次電源組件存在裝機(jī)數(shù)量大、故障率高、備件緊缺和外購(gòu)困難等問(wèn)題，在外方?jīng)]有提供設(shè)計(jì)資料的情況下，采用逆向工程方法，通過(guò)系統(tǒng)反設(shè)計(jì)剖析原二次電源組件的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及性能指標(biāo)，提出采用功能替代的國(guó)產(chǎn)化研制思路。研制的國(guó)產(chǎn)化組件在結(jié)構(gòu)、功能性能上與武器系統(tǒng)完全兼容，能夠替代原二次電源組件直接裝機(jī)使用，成功解決了制約引進(jìn)裝備備件維修保障的瓶頸問(wèn)題。目前，研制的該型國(guó)產(chǎn)化組件已在裝備修理中得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓；國(guó)產(chǎn)化；功能替代；故障監(jiān)測(cè)

Keywords：voltage regulator；localization；function replace；fault monitoring

0 引言

電源是武器系統(tǒng)電子設(shè)備必不可少的重要組成部分，可以說(shuō)電源電路是一切電子設(shè)備工作的基礎(chǔ)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。武器裝備電源電路是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，電源種類(lèi)繁多，其中二次電源是將主電源電能變換為另一種形式或規(guī)格的電能裝置，用以滿(mǎn)足不同用電設(shè)備的需求，裝機(jī)數(shù)量龐大，是武器裝備電源系統(tǒng)的重要組成部分。近年來(lái)，隨著武器裝備使用年限的增加，故障率逐年增多，修復(fù)率較低，備件消耗量大，備件緊缺，外購(gòu)困難，嚴(yán)重影響了戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)的開(kāi)展。為了保證引進(jìn)裝備的正常使用需求，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能，開(kāi)展該型二次電源組件的國(guó)產(chǎn)化研制勢(shì)在必行。

1 原二次電源組件的功能及組成

原二次電源組件安裝于某型武器系統(tǒng)多型裝備，一套系統(tǒng)裝機(jī)數(shù)量達(dá)70余件，主要由穩(wěn)壓電路、故障監(jiān)測(cè)電路、故障指示和保護(hù)執(zhí)行電路、接插件等組成，用于根據(jù)不同的輸入電壓及外圍電路產(chǎn)生+12V/1A、+27V/0.2A、+30V/1.5A等不同類(lèi)型的電源，并監(jiān)測(cè)自身的輸出電壓與電流；當(dāng)輸出發(fā)生過(guò)壓、欠壓和過(guò)流時(shí)進(jìn)行故障判斷和指示，并產(chǎn)生故障信號(hào)送至系統(tǒng)其他電路，切斷組件輸入電源，達(dá)到保護(hù)組件自身和整機(jī)系統(tǒng)的作用。

2 國(guó)產(chǎn)化二次電源組件的設(shè)計(jì)

武器系統(tǒng)引進(jìn)時(shí)，隨機(jī)資料和人員培訓(xùn)主要集中在裝備的使用和維護(hù)方面，出于技術(shù)保護(hù)，外方?jīng)]有提供任何設(shè)計(jì)方面的技術(shù)資料。如何通過(guò)逆向工程的方法獲得原電源組件在不同工作狀態(tài)下的激勵(lì)響應(yīng)信息，反推解算出組件的輸入輸出設(shè)計(jì)需求，是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工作。本次研制在剖析原電源組件工作原理、各組成部分功用、互相之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量測(cè)試、分析和驗(yàn)證，獲取了原二次電源組件的輸入輸出設(shè)計(jì)需求。

2.1 研制方案的確定

原二次電源組件硬件設(shè)計(jì)采用142ЕН3、142ЕП1、1НТ251等多片集成電路作為核心單元，加以外圍電路設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理分析困難，核心器件技術(shù)資料缺失，且無(wú)相應(yīng)直接替代型譜可查，顯然，采用“一一替換”的研仿模式行不通，因此必須對(duì)原二次電源組件的功能、原理研究透徹，并對(duì)組件在不同工作狀態(tài)下的輸入、輸出信息進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試、分析和處理，盡可能得到完整、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸入輸出需求，采用對(duì)其進(jìn)行功能替代的研制方案進(jìn)行。

2.2 國(guó)產(chǎn)化二次電源組件組成及原理

國(guó)產(chǎn)化二次電源組件功能、結(jié)構(gòu)尺寸、接口關(guān)系與原組件一致，電路主要由穩(wěn)壓電路、故障監(jiān)測(cè)電路、故障指示和保護(hù)執(zhí)行電路等組成，國(guó)產(chǎn)化二次電源組件原理框圖如圖1所示。

國(guó)產(chǎn)化組件采用MC1723、MC33161、4N35等集成芯片作為核心單元，對(duì)穩(wěn)壓電路、故障監(jiān)測(cè)電路、故障指示和保護(hù)執(zhí)行電路進(jìn)行了功能替代設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了脈動(dòng)直流電壓的穩(wěn)壓變換以及過(guò)流、過(guò)壓、欠壓的監(jiān)測(cè)與故障判斷。當(dāng)發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓、欠壓故障時(shí)，產(chǎn)生故障信號(hào)送至組件外系統(tǒng)其他電路，系統(tǒng)根據(jù)收到的故障信號(hào)執(zhí)行切斷組件輸入電源動(dòng)作，達(dá)到保護(hù)組件自身和整機(jī)系統(tǒng)的作用，同時(shí)組件通過(guò)LED指示燈進(jìn)行故障告警顯示。

2.3 設(shè)計(jì)中解決的主要問(wèn)題

1）穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源是為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置，隨著武器系統(tǒng)電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的供電電源提出了更高的要求。根據(jù)該型電源組件可輸出多種不同規(guī)格電源和具有過(guò)流保護(hù)的要求，查閱大量器件數(shù)據(jù)資料及應(yīng)用電路，選用MC1723集成芯片作為穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)的核心單元。MC1723是一種寬輸入輸出的正電壓或負(fù)電壓調(diào)節(jié)器，輸出電流可達(dá)150mA，通過(guò)外接調(diào)整管可增加輸出電流，工作溫度范圍為-55℃～125℃，輸出電壓為2～37V可調(diào)，線(xiàn)性調(diào)整率0.01%，負(fù)載調(diào)整率0.03%，短路限制電流可由電阻設(shè)定。MC1723器件有14引腳雙列直插塑料及陶瓷（DIP）封裝，也有貼片式（SO）封裝，其管腳排列如圖2所示，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電源組件要求輸出+12V、+27V、+30V不同類(lèi)型的電壓，根據(jù)MC1723集成芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的公式（1）、（2）、（3），本電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，R1*為不同輸出時(shí)組件外配置的固定電阻器，R2設(shè)定為20k可調(diào)電阻，R3設(shè)定為20k可調(diào)電阻，R4采用4.7Ω高精度可變電阻，外接2N6675作為調(diào)整管進(jìn)行輸出擴(kuò)流。通過(guò)調(diào)節(jié)R2電位器可實(shí)現(xiàn)輸出7～37V范圍可調(diào)，通過(guò)R4可變電阻根據(jù)不同輸出電流設(shè)置不同采樣值進(jìn)行過(guò)流監(jiān)測(cè)。

式中，R2取值應(yīng)符合10k

設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路原理圖如圖4所示，電路工作時(shí)，通過(guò)Ш1/19、42與Ш1/44組件外圍短接后實(shí)現(xiàn)限流功能，通過(guò)Ш1/19、42與Ш1/40組件外圍串入R1*電阻后與R2共同實(shí)現(xiàn)輸出電壓的反饋調(diào)節(jié)功能。

2）故障監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了保證電源電路能夠安全可靠地運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以便監(jiān)視電源電路的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并切斷故障組件的電源，防止事故擴(kuò)大。鑒于該型電源組件要求具有過(guò)壓、欠壓的故障監(jiān)測(cè)功能，查閱大量器件數(shù)據(jù)資料及應(yīng)用電路，選用MC33161集成芯片作為故障監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)的核心單元。 MC33161作為電壓傳感器廣泛應(yīng)用于電壓檢測(cè)電路，該器件采用雙列直插式8引腳塑料及陶瓷（DIP）封裝，也有貼片式（SO）封裝，其管腳排列如圖5所示，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

MC33161內(nèi)部含有兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的電壓檢測(cè)電路，由于各自的基準(zhǔn)電壓不同，可分別用于檢測(cè)兩路不同的電壓，同時(shí)，MC33161的引腳7（見(jiàn)圖6）為工作方式選擇端，當(dāng)接于Vcc、Vref或GND時(shí)，可完成一路過(guò)壓、一路欠壓，雙過(guò)壓，雙欠壓，正負(fù)電源過(guò)壓、欠壓等的檢測(cè)，使用十分方便。

設(shè)計(jì)的故障監(jiān)測(cè)電路原理圖如圖7所示。

如圖7所示，通過(guò)將工作方式選擇端引腳7接于基準(zhǔn)參考電壓引腳1Vref實(shí)現(xiàn)通道1同相、通道2反相的工作方式，這時(shí)通道1將作為欠電壓檢測(cè)電路，通道2將作為過(guò)電壓檢測(cè)電路。

由于MC33161內(nèi)部電壓比較器基準(zhǔn)電壓為1.27V，當(dāng)電源組件穩(wěn)壓電路輸出電壓在正常范圍且負(fù)載也沒(méi)有過(guò)流時(shí)，MC33161的引腳3相當(dāng)于輸入“0”，故引腳5輸出相當(dāng)于“1”；MC33161的引腳2相當(dāng)于輸入“1”，故引腳6輸出相當(dāng)于“1”；此時(shí)，故障執(zhí)行電路不動(dòng)作，故障告警指示燈不亮。

當(dāng)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，取樣電壓Vs隨之升高，MC33161的引腳3相當(dāng)于輸入“1”，MC33161的引腳5相當(dāng)于輸出“0”；當(dāng)發(fā)生欠壓時(shí)，取樣電壓Vs隨之降低，MC33161的引腳2相當(dāng)于輸入“0”，MC33161的引腳6相當(dāng)于輸出“0”；當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，穩(wěn)壓電路的過(guò)流保護(hù)會(huì)控制輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低至欠壓閾值時(shí)，其工作過(guò)程與欠壓檢測(cè)電路相同；無(wú)論是發(fā)生過(guò)壓、欠壓還是過(guò)流，故障執(zhí)行電路均動(dòng)作，組件故障告警指示燈亮起進(jìn)行故障指示，并向組件外系統(tǒng)電路發(fā)送故障信號(hào)。

3 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下利用自研的二次電源綜合測(cè)試平臺(tái)對(duì)國(guó)產(chǎn)化二次電源組件進(jìn)行了功能性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，電壓、電流、保護(hù)門(mén)限值、故障報(bào)警等主要功能性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。國(guó)產(chǎn)化二次電源組件功能性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，該型國(guó)產(chǎn)化二次電源組件已通過(guò)了設(shè)計(jì)鑒定審查和軍方組織的飛行靶試驗(yàn)證，并在部隊(duì)和工廠(chǎng)裝備修理中得到推廣應(yīng)用。該產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足某型引進(jìn)武器裝備的正常使用要求，使用維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。該型二次電源組件成功進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，可解決國(guó)外技術(shù)封鎖和對(duì)國(guó)外備件保障的依賴(lài)，提高國(guó)內(nèi)自主可控能力，保障裝備的完好率，經(jīng)濟(jì)和軍事效益明顯。

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作者簡(jiǎn)介

曹佩武，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)控技術(shù)、裝備維修保障與國(guó)產(chǎn)化技術(shù)研究。

馮云，高級(jí)工程師，主要從事裝備維修保障、國(guó)產(chǎn)化備件研制以及北斗接收機(jī)研發(fā)等。