CN114488888A - 基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源 - Google Patents

基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，包括：电源模块A、电源模块B、SpaceUM模块A、SpaceUM模块B、若干主份功能模块、若干备份功能模块、背板和机箱。电源模块A、电源模块B互相冗余备份，SpaceUM模块A、SpaceUM模块B实现二次电两级选择和通道开关控制，独立输入的A、B组二次电分别分流形成若干独立通道，每个通道有独立的开关控制，SpaceUM模块A、SpaceUM模块B分别为主份功能模块和备份功能模块供电，SpaceUM模块每一个通道支持一个功能模块的供电。本发明实现单机二次电自主故障诊断和重构，具有更好的二次电源容错能力，提高了单机可靠性。

Description

基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源
技术领域
本发明涉及星载电子设备领域，具体地，涉及基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源。
背景技术
随着航天器高性能仪器的工程应用以及计算机技术、高性能器件的发展，在轨服役的卫星数量越来越多，应用越来越广阔，对卫星提出了长寿命、高可靠、连续稳定服务的要求。星载电子单机，尤其是高性能处理单机，作为卫星操控和数据处理的关键组成部分，必需提高在空间环境中的自主生存能力。
从2010年开始，美国空军研究实验室和工业界开展空间系统组件之间互联定义标准化工作，即“下一代空间互联标准”，以VITA推出的OpenVPX系列标准硬件结构作为基准，进行空间应用拓展开发，形成了SpaceVPX规范。相比于传统的二次电点对点直接配电方式，SpaceVPX通过增加SpaceUM模块实现双冗余二次电源交叉配电，提高单机功能模块供电容错能力。
SpaceVPX规范出版至今，尚未有公开文献报道基于SpaceVPX架构的双冗余二次电源交叉配电实现方法和案例。
对于星载单机二次电设计和实现，经对现有技术的文献检索发现，申请号CN201710877235.2“可重构的卫星电子产品二次电源故障切换单元的控制系统”提出了可重构的卫星电子产品二次电源故障切换单元的控制系统，提高星载电子设备的可靠性，但是该方法仅对一次电源进行监测，且对供电后端进行整体切换。申请号CN201620110740.5“二次电源逻辑电路阵列”提出了一种二次电源逻辑电路阵列，实现两组电源输入经逻辑控制产生五组电源输出，但不具备监测和独立控制功能。申请号CN201210128399.2“一种具有抗闩锁功能的二次电源”、CN200910243288.4“一种三冗余嵌入式计算机系统可靠供电电路”等专利也针对二次电源进行了可靠性增强设计。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源。
根据本发明提供的一种基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，电源模块A、电源模块B、SpaceUM模块A、SpaceUM模块B、多个主份功能模块、多个备份功能模块、背板以及机箱；
所述电源模块A和电源模块B为互相冗余备份，电源模块A转换输出的A组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B，电源模块B转换输出的B组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B；
所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B实现二次电两级选择和通道开关控制，独立输入SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电分别分流形成多个独立通道，每一个通道有独立的开关控制；
所述主份功能模块和备份功能模块为互相冗余备份，SpaceUM模块A的每一个通道连接一个主份功能模块，SpaceUM模块B的每一个通道连接一个备份功能模块；
所述背板为插槽式结构，为各模块提供供电和信号连接；
所述机箱为模块的机械结构外框
优选的，所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B对输入的一次电以及每个独立通道输出的二次电进行检测，检测项目包括：过压、欠压、过流和欠流。
优选的，所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的每个独立通道开关控制由两级选择结果确定，第一级为电源分组输入选择，第二级为独立通道控制输出选择。
优选的，所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电通道输出的控制逻辑采用互斥判断，具体包括：
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电均正常，则由第二级选择结果确定A组还是B组二次电输出，第二级选择A、B组均正常时SpaceUM模块A默认选择A组二次电输出，SpaceUM模块B默认选择B组二次电输出；
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电只有一组正常，则异常电源分组后的通道开关控制均关闭，正常电源分组后的通道开关控制由第二级选择结果确定是否输出；
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电均异常，则所有通道开关控制均关闭，二次电禁止输出。
优选的，所述电源模块A和电源模块B均支持热备份、冷备份工作模式，SpaceUM模块A和SpaceUM模块B均支持热备份、冷备份工作模式，主份功能模块和备份功能模块的工作模式由SpaceUM模块A、SpaceUM模块B的通道开关控制结果确定。
优选的，所述电源模块A和电源模块B采用EMI和DC-DC变换器实现外部输入一次母线至二次电的转换。
优选的，所述SpaceUM模块A、SpaceUM模块B的输出两级选择通过电源管理芯片控制。
优选的，所述通道开关通过继电器实现，所述继电器的开关控制信号由电源管理芯片输入控制，或由外部信号输入控制。
优选的，所述电源管理芯片设置为四个，电源管理芯片型号为LTC2975，且四个电源管理芯片并联对SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电进行控制和检测。
优选的，所述SpaceUM模块A的二次电通道和SpaceUM模块B的二次电相应的通道在通道开关控制和第二级选择后端汇流后输出至背板。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过SpaceUM模块实现两组二次电的汇流、配电监测、通道分流，实现“AB→AB”的配电模式，相比于传统的“A→A，A→B”，具有更好的二次电源容错能力；
2、本发明通过SpaceUM模块的二次电两级选择和通道开关控制，实现二次电实时监测，并将监测结果实时反馈至通道开关控制端，实现单机二次电自主故障诊断和重构；
3、本发明通过SpaceUM模块的二次电分流和通道开关控制，实现对每个功能模块的独立监测和开关控制，使主份功能模块和备份功能模块之间可以交叉容错，相比传统的整机容错模式，提高了单机可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源功能框图；
图2为SpaceUM模块设计原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明介绍了一种基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，电源系统功能框图如图1所示，该系统由电源模块A、电源模块B、SpaceUM模块A、SpaceUM模块B、多个主份功能模块、多个备份功能模块、背板以及机箱组成。
电源模块A、电源模块B为互相冗余备份，采用EMI滤波器和DC-DC变换器实现外部输入一次母线至二次电的转换。DC-DC变换器可选的类型较多，以一次母线电压28V、二次电电压12V为例，Interpoint高可靠DC-DC变换器的MOR、MFL、MHV系列，VPT的SV、DV系列，中电43所的HDCD、HFL系列，均适用，可根据负载功率需求选定具体型号，并选配相应的EMI滤波器。电源模块A转换输出的A组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B，电源模块B转换输出的B组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B。
SpaceUM模块A、SpaceUM模块B实现二次电两级选择和通道开关控制，独立输入的A、B组二次电分别分流形成M个独立通道，1≤M≤8，每一个通道有独立的开关控制，二次电第一级选择是电源分组输入选择，第二级选择是通道控制输出选择。电源分组输入选择和通道控制输出选择由多通道电源管理芯片实现，对电源输入通道和输出通道进行过压、欠压、过流、欠流监测。本例电源管理芯片选择LTC2975，具备1个通道电源输入监测和4个通道电源输出监测，由4片LTC2975并联实现一个SpaceUM模块A、B组二次电共计16个通道的监测和选择控制。通道开关控制由继电器实现，继电器的开关控制信号可以由外部信号输入控制，也可由电源管理芯片监测结果反馈作为相应通道的开关控制信号，实现供电自主管理。SpaceUM模块设计原理框图如图2所示。
主份功能模块和备份功能模块为互相冗余备份，1≤N≤8，SpaceUM模块每一个通道支持一个功能模块的供电，主份功能模块的供电来自SpaceUM模块A控制输出的二次电，备份功能模块的供电来自SpaceUM模块B控制输出的二次电。
背板为插槽式结构，为各模块提供供电和信号连接，电源模块和SpaceUM模块所输出的二次电均通过背板传输。机箱为所有模块的机械结构外框。
SpaceUM模块每个通道开关控制由二次电两级选择结果确定，A组二次电通道和B组二次电相应的通道在通道开关控制和第二级选择后端汇流后输出至背板。
SpaceUM模块的A组二次电通道控制继电器和B组二次电通道控制继电器的开关控制逻辑采用互斥判断，SpaceUM模块A控制逻辑如表1所示，SpaceUM模块B控制逻辑如表2所示，具体为：
(1)若第一级选择A、B组二次电均正常，则由第二级选择结果确定A组还是B组二次电输出，第二级选择A、B组均正常时SpaceUM模块A默认选择A组二次电输出，SpaceUM模块B默认选择B组二次电输出；
(2)若第一级选择A、B组二次电只有一组正常，则异常电源分组后的通道开关控制均关闭，正常电源分组后的通道开关控制由第二级选择结果确定是否输出；
(3)若第一级选择A、B组二次电均异常，则该SpaceUM模块所有通道开关控制均关闭，二次电禁止输出。
表1SpaceUM模块A控制逻辑
Figure BDA0003471554670000051
表2SpaceUM模块B控制逻辑
Figure BDA0003471554670000052
电源模块A和电源模块B均支持热备份、冷备份工作模式，SpaceUM模块A和SpaceUM模块B均支持热备份、冷备份工作模式，主份功能模块和备份功能模块的工作模式由SpaceUM模块A、SpaceUM模块B的通道开关控制结果确定。
表3功能模块工作模式
Figure BDA0003471554670000061
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于，包括：电源模块A、电源模块B、SpaceUM模块A、SpaceUM模块B、多个主份功能模块、多个备份功能模块、背板以及机箱；
所述电源模块A和电源模块B为互相冗余备份，电源模块A转换输出的A组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B，电源模块B转换输出的B组二次电通过背板分别输入至SpaceUM模块A、SpaceUM模块B；
所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B实现二次电两级选择和通道开关控制，独立输入SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电分别分流形成多个独立通道，每一个通道有独立的开关控制；
所述主份功能模块和备份功能模块为互相冗余备份，SpaceUM模块A的每一个通道连接一个主份功能模块，SpaceUM模块B的每一个通道连接一个备份功能模块；
所述背板为插槽式结构，为各模块提供供电和信号连接；
所述机箱为模块的机械结构外框。
2.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B对输入的一次电以及每个独立通道输出的二次电进行检测，检测项目包括：过压、欠压、过流和欠流。
3.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的每个独立通道开关控制由两级选择结果确定，第一级为电源分组输入选择，第二级为独立通道控制输出选择。
4.根据权利要求3所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电通道输出的控制逻辑采用互斥判断，具体包括：
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电均正常，则由第二级选择结果确定A组还是B组二次电输出，第二级选择A、B组均正常时SpaceUM模块A默认选择A组二次电输出，SpaceUM模块B默认选择B组二次电输出；
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电只有一组正常，则异常电源分组后的通道开关控制均关闭，正常电源分组后的通道开关控制由第二级选择结果确定是否输出；
-若第一级选择paceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电均异常，则所有通道开关控制均关闭，二次电禁止输出。
5.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述电源模块A和电源模块B均支持热备份、冷备份工作模式，SpaceUM模块A和SpaceUM模块B均支持热备份、冷备份工作模式，主份功能模块和备份功能模块的工作模式由SpaceUM模块A、SpaceUM模块B的通道开关控制结果确定。
6.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述电源模块A和电源模块B采用EMI和DC-DC变换器实现外部输入一次母线至二次电的转换。
7.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述SpaceUM模块A、SpaceUM模块B的输出两级选择通过电源管理芯片控制。
8.根据权利要求7所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述通道开关通过继电器实现，所述继电器的开关控制信号由电源管理芯片输入控制，或由外部信号输入控制。
9.根据权利要求7所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述电源管理芯片设置为四个，电源管理芯片型号为LTC2975，且四个电源管理芯片并联对SpaceUM模块A和SpaceUM模块B的二次电进行控制和检测。
10.根据权利要求1所述的基于SpaceVPX架构的星载单机双冗余高可靠电源，其特征在于：所述SpaceUM模块A的二次电通道和SpaceUM模块B的二次电相应的通道在通道开关控制和第二级选择后端汇流后输出至背板。
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