CN101719011A - 机载计算机电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的机载计算机电源系统包括电源变换模块、开关阵列、电源管理模块以及计算机电子模块；计算机电子模块上置有二次电源变换组件以及多个电压调节组件；电源变换模块为电源转换单元分布在集成机架上，实现高压输入到稳定的48V中间母线电压的功率变换，通过开关阵列与分布在各计算机电子模块模块上的二次电源变换组件相连接，实现对各计算机电子模块进行供电；各计算机电子模块经二次电源变换组件变换成5V的直流电压，经分布在各计算机电子模块上的负载旁的电压调节组件，实现对负载的供电。解决了现有电源可靠性差的技术问题，具有可靠性高，易于维护等优点。

Description

机载计算机电源系统

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体涉及一种机载计算机电源系统。

背景技术

目前，航空电子系统中的计算机高度综合化，和机载电子设备不断增加，需要能够实现智能化管理的更加高效、可靠的电源系统。该项目国内相关机载产品厂所尚未开展，国外新一代飞机航电综合处理机已采用此项技术。随着战斗机供电方式的改变、以及机载设备高度综合化程度的提高，高密度、高可靠电源系统将成为综合核心处理机应用的关键部分，分布式电源系统便应运而生，它具有输出功率可扩展性、使设计灵活、高可靠性、设计标准化、易于维护等优点。尤其是对其关键技术电源系统的智能管理的研究，将很好地满足新一代飞机综合核心处理机对其电源的需求。

发明内容

为了解决现有电源满足不了现有飞机综合核心处理机的需求技术问题，本发明提供一种机载计算机电源系统。

本发明提供的智能分布式电源系统包括电源变换模块(PCM)、开关阵列(PSA)、电源管理模块(PMS)以及计算机电子模块(LRM)；所述计算机电子模块(LRM)上置有二次电源变换组件(PCE)以及多个电压调节组件(VRM)；所述电源变换模块(PCM)为电源转换单元分布在集成机架上，实现高压输入到稳定的48V中间母线电压的功率变换，通过开关阵列(PSA)与分布在各计算机电子模块(LRM)模块上的二次电源变换组件(PCE)相连接，实现对各计算机电子模块(LRM)进行供电；各计算机电子模块(LRM)经二次电源变换组件(PCE)变换成5V的直流电压，经分布在各计算机电子模块(LRM)上的负载(IC)旁的电压调节组件(VRM)，实现对负载的供电。

上述开关阵列(PSA)为带电荷泵的可控大功率开关。

上述电源变换模块(PCM)采用标准的LRM结构分布在计算机集成机架上。

上述二次电源变换组件(PCE)采用非标准组件结构分布在计算机电子模块(LRM)上。

上述电压调节组件(VRM)采用非标准组件结构分布在计算机电子模块(LRM)上的负载(IC)旁。

实施本发明的机载计算机电源系统，具有以下有益效果：

智能管理电源技术应能实时监控计算机供电运行状态，进行故障隔离和控制机架中电源的分配重构以及应急供电的配置，实现计算机电源余度供电、故障监控和隔离、加电顺序控制的智能化管理目标。

附图说明

图1为本发明智能分布式电源系统图；

图2为本发明中电源变换模块的原理框图；

图3为本发明中电源管理模块软件的主程序流程图；

图4为本发明中电源管理模块软件中中断服务子程序流程图；

图5为本发明中电源管理模块软件中通讯子程序流程图；

图6为本发明中AUXPS电磁滤波的原理图。

具体实施方式：

参见图1，智能分布式电源系统由一次电源变换模块(PCM)、开关阵列(PSA)、电源管理模块(PMS)、若干个放置在计算机电子模块(LRM)上的二次电源变换组件(PCE)以及多个电压调节组件(VRM)组成。

一次电源变换模块(PCM)采用标准的LRM结构(长233mm，宽160mm，厚50mm)，分布在计算机集成机架上。

二次电源组件(PCE)采用非标准组件结构，分布在计算机电子模块(LRM)上。

电压调节组件(VRM)采用非标准组件结构，分布在LRM上的负载(IC)旁。

270V高压直流经过电源变换模块(PCM)变换，输出稳定的48V直流电压，经过PSA控制给所有机架中的LRM模块提供余度供电，应急输入的48V与电源变换模块(PCM)变换后的48V直流电压一起给机架中关键的计算机电子模块(LRM)供电，以提高关键模块的任务可靠性。每一个计算机电子模块(LRM)上经过二次电源变换组件(PCE)变换产生5V输出的直流电压，再经过电压调节组件(VRM)就近变换产生芯片所需的1.2V、1.8V及2.5V等低压大电流输出，减少由于线缆传输造成的电压波动。

电源变换模块(PCM)采用并联冗余结构来提高系统的可靠性，即采用3+1个电源模块以并联方式对计算机系统供电，图1中仅画出了由一组2个电源变换模块(PCM)组成的智能分布式电源架构，各电源模块平均分担系统的功率容量，而一旦其中某个模块出现故障问题而停止供电时，备用模块能自动加以接替，或是余下的模块分担故障模块原先承担的负载电流，整个电源系统照常运行。从而有效地避免了电源子系统可能发生的任何故障。

参见图2，电源变换模块(PCM)采用高压270V高压直流供电，并将其变换为稳定的48V直流电压，主要由高压DC/DC变换器(PCU)、开关阵列(PSA)、电源管理系统(PMS)、网络接口单元(FC接口)以及辅助电源(AUXPS)构成。具有电源自测试、PCE状态监测、上下电控制、故障隔离、负载均流等智能管理功能。开关阵列PSA由低通态电阻的功率场效应管(MOSFET)、专用的控制驱动器组成，是电源变换模块(PCM)中用于与后级二次电源变换组件(PCE)用电设备相连的设备，实现48V输出的通、断控制和故障隔离功能，它接受PMS指令，完成上、下电顺序控制功能。电源管理系统(PMS)承担为分布式二次电源可靠供电的任务，主要对高压DC/DC变换器(PCU)的输出电压以及每路二次电源变换组件(PCE)供电进行有效的状态检测和控制，防止故障蔓延。

主要完成如下功能：

1)、电源变换模块(PCM)上电，若电源自测试结果正确，管理计算机则以一组固定的动作序列去进行开关阵列的控制，在预先定义好的某几路开关上输出；

2)、管理计算机接受上一级管理单元的指令来对任意开关阵列的动作与否、动作组合及动作顺序进行控制；

3)、对每路开关阵列的状态进行监控，一旦开关流过的电流超出范围(Is≥IsMAX)或方向相反，管理计算机立即发出控制命令，进行开关阵列中相应的开关状态的切换；

4)、各种动作状态、保护、报警信息和数据信息检测值能够通过网络接口与上一级管理单元进行传输。

其中，二次电源变换组件(PCE)是将48V直流母线电压变换到中间电压(5V或3.3V)，具有输出过压、过流短路保护、外部可关断(on/off)功能；在此供电系统中n块PCM采用并联冗余结构提供给各路负载，由于故障容错缘故，每个负载(PCE)至少有两路48V直流供电输入，并且要求这两路供电输入均流，使每个模块都能有效地输出功率，使各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统能够稳定、可靠、高效地工作。VRM是将中间电压变换为各个板极负载点所需的低压(2.5V、1.8V等)大电流(最高可达20A)输出，具有外部同步、外部可关断(on/off)功能。

下面对开关阵列单元的小型化设计技术特征解释如下：

开关阵列(PSA)(Power Switch Array)主要实现48V输出通、断控制和故障隔离功能，能实现这一功能的器件有继电器开关，有源开关，它们的性能对比如表1所示。

开关器件性能对比

	继电器开关	有源开关
			优点	不仅能实现开关而且具有隔离功能，易控制、电路简单。	开关速度快，导通电阻小(几十mΩ)、损耗小。电流容量大，无二次击穿机理。SO-8封装器件，有体积优势。
不足	开、关动作时间长，一般在5ms～10ms，控制线圈存在反击电压尖峰，需要消除尖峰电路。开关触点可靠性低，体积较大。	控制电路较复杂，开关控制的电压愈高，控制电路愈复杂。

开关阵列(PSA)由有源开关阵列、驱动电路组成。为了减小体积，实现小型化，它须集成电荷泵和N沟道MOS管，并具有过载保护、电流限制、短路保护、过压保护、过温保护、输出负压钳位等功能。

参见图3-图5，PMS系统软件设计主要包括主程序、中断服务子程序和通讯程序的设计。

图3中，主程序主要完成中断初始化、多路开关、A/D等芯片初始化、配置电源模块的地址、上电、周期、应急BIT工作模式等；

图4中，中断服务子程序主要完成每路电压和电流值的A/D采集；

图5中，通讯子程序根据预先规定的通讯协议，完成与主控模块的通讯以及PSA状态切换的功能。

参见图6，电源管理系统(PMS)单元硬件电路属于数字电路，与电源电路相比抗干扰较差，而且工作在大功率转换模块这个恶劣的电磁干扰(EMI)环境中，更要注意EMI对计算机软硬件的干扰。设计重点包括：AUXPS、接地、屏蔽。AUXPS主要为PMS提供低压直流电，5V、±15V。为了防止开关电源噪声通过电源线进入AUXPS、进入电源管理系统(PMS)，一是要对28V电源进行滤波；二是需要将5V、±15V地与28V地隔离，要求不影响共地。辐射噪声可能是电场辐射噪声，也可能是磁场辐射噪声。磁场辐射噪声是由高的电流变化率di/dt引起的。为了减少磁场辐射，敏感电路、敏感元件要远离强辐射电路。通过合理地分布印制板上各种元件可以减弱辐射噪声，小信号线要远离噪声源，而且输入、输出线尽可能的远离。也可在电源结构设计时，采用低电阻的铝金属材料把整个电源屏蔽起来，以减少内外电导线的影响和高频电磁场的辐射。

本申请提供的分布式、智能管理电源系统是新一代飞机综合核心处理机发展的必然趋势，可满足其对电源功率密度、变换效率、体积、重量等性能的要求，并且电源系统自身的监测能力、故障诊断和隔离、容错重构能力大大提高，具有良好的工程应用前景。

Claims (5)

1.一种机载计算机电源系统，其特征在于：所述系统包括电源变换模块(PCM)、开关阵列(PSA)、电源管理模块(PMS)以及计算机电子模块(LRM)；所述计算机电子模块(LRM)上置有二次电源变换组件(PCE)以及多个电压调节组件(VRM)；所述电源变换模块(PCM)为电源转换单元分布在集成机架上，实现高压输入到稳定的48V中间母线电压的功率变换，通过开关阵列(PSA)与分布在各计算机电子模块(LRM)模块上的二次电源变换组件(PCE)相连接，实现对各计算机电子模块(LRM)进行供电；各计算机电子模块(LRM)经二次电源变换组件(PCE)变换成5V的直流电压，经分布在各计算机电子模块(LRM)上的负载(IC)旁的电压调节组件(VRM)，实现对负载的供电。

2.根据权利要求1所述的机载计算机电源系统，其特征在于：所述开关阵列(PSA)为带电荷泵的可控大功率开关。

3.根据权利要求1或2所述的机载计算机电源系统，其特征在于：电源变换模块(PCM)采用标准的LRM结构(长233mm，宽160mm，厚50mm)，分布在计算机集成机架上。

4.根据权利要求3所述的机载计算机电源系统，其特征在于：所述二次电源变换组件(PCE)采用非标准组件结构分布在计算机电子模块(LRM)上。

5.根据权利要求4所述的机载计算机电源系统，其特征在于：所述电压调节组件(VRM)采用非标准组件结构分布在计算机电子模块(LRM)上的负载(IC)旁。

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