DE3204160A1 - Circuit arrangement for fail-safe power supply - Google Patents
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Abstract
Description
Schaltungsanordnung zur ausfallsicheren Stromversorgung Circuit arrangement for fail-safe power supply
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur ausfallsicheren Stromversorguhg redundanter Datenverarbeitungskanäle vorzugsweise in Luftfahrzeugen, mit mehreren Gleichspannungswandlern, welche die Datenverarbeitungskanäle parallel speisen.The invention relates to a circuit arrangement for fail-safe Power supply of redundant data processing channels, preferably in aircraft, with several DC voltage converters, which the data processing channels in parallel Food.
Bei wichtigen Datenverarbeitungsgeräten ist es aus Sicherheitsgründen üblich mehrere Geräte parallel, d. h. redundant zu -betreiben. Solche redundante Datenverarbeitungskanäle werden z. B. bei ausfallsicheren Computern, bei Steuerungen in Luft- und Raumfahrzeugen, bei Kernkrftwerkssteuerungen usw. eingesetzt, um beim Auftreten einer Störung die Funktionsfähigkeit des Systems aufrecht zu erhalten. Redundante Datenverarbeitungskanäle erfordern daher für einen ausfallsicheren Betrieb auch redundante Stromversorgungen damit bei Störungen in der Stromversorgung die Ausfallsicherzeit gewährleistet bleibt.In the case of important data processing devices, it is for security reasons Usually several devices in parallel, i. H. to operate redundantly. Such redundant Data processing channels are z. B. in fail-safe computers, in controls used in aircraft and spacecraft, in nuclear power plant controls, etc. To maintain the functionality of the system in the event of a fault. Redundant data processing channels therefore require fail-safe operation also redundant power supplies with it in case of disturbances in the power supply Fail-safe time is guaranteed.
Es ist bekannt, der erforderlichen Ausfallsicherheit bei Stromversorgungsgeräten redundanter Datenverarbeitungskanäle dadurch zu begegnen, daß jedem Datenverarbeitungskanal eine Stromversorgung zugeordnet wird.It is known that power supply devices are required to be failsafe to counter redundant data processing channels that each data processing channel a power supply is assigned.
Eine Störung in der Stromversorgung wdrd dann wie ein Fehler im Datenverarbeitungskanal angesehen und der Kanal abgeschaltet. Diese Maßnahme ist aber unbefriedigend, weil bei einem derartigen Versorgungsprinzip Datenverarbeitungskanäle abgeschaltet werden, bei denen lediglich in der Stromversorgung eine Störung vorliegt. Zur Vermeidung derartiger Kanalabschaltungen ist auch schon vorgeschlagen worden die Stromversorgung für jeden Kanal redundanter Datenverarbeitungskanäle selbst redundant auszuführen. Eine solche Lösung bietet bei Störungen in einer Stromversorgung die Möglichkeit den redundanten Betrieb der Datenverarbeitungskanäle aufrecht zu erhalten, aber diese Lösung ist äußerst aufwendig und daher nicht vertretbar, da hierfür Stromversorgungsgeräte mit doppelter Versorgungsleistung installiert werden müssen.A fault in the power supply would then be like a fault in the data processing channel viewed and the channel switched off. This measure is unsatisfactory because with such a supply principle, data processing channels are switched off, where there is only a fault in the power supply. To avoid Such channel shutdowns have also been proposed for the power supply for to implement each channel of redundant data processing channels redundantly itself. One such a solution offers the possibility of faults in a power supply to maintain redundant operation of the data processing channels, but this Solution is extremely complex and therefore not justifiable, since power supply devices are used for this must be installed with twice the supply power.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung für redundante Datenverarbeitungskanäle der eingangs genannten Art vorzusehen, welche mit geringem Aufwand in der Lage ist bei einem Fehler die Versorgung für die redundante Datenverarbeitungskanäle aufrecht zu erhalten.The invention is therefore based on the object of a power supply provide for redundant data processing channels of the type mentioned above, which In the event of an error, the supply for the redundant one is able to with little effort To maintain data processing channels.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Versorgung jedes Datenverarbeitungskanals mehrere die Nennlast abdeckende Gleichspannungswandler gleicher Leistung plus mindestens ein weiterer G!1eichspannungswandler gleicher Leistung vorgesehen sind, die eingangsseitig und ausgangsseitig über Koppeleinheiten an der Versorgungsspannung liegen, bzw. den Datenverarbeitungskanal speisen.According to the invention, this object is achieved in that for the Supply of each data processing channel several DC voltage converters covering the nominal load same power plus at least one further DC voltage converter of the same type Power are provided, the input side and the output side via coupling units are connected to the supply voltage or feed the data processing channel.
Die erfindungsgemäße Maßnahme bedeutet z. B. daß bei der Aufteilung der Nennlast eines Datenverarbeitungskanals auf vier Gleichspannungswandler, fünf oder mehr Gleichspannungswandler vorzusehen sind, so daß sich ein Leistungsüberhang von mindestens 25 % ergibt. Gegenüber einer zweifach redundanten Stromversorgung, die 100 % Leistungsüberhang erfordern würde, ist dies eine erhebliche Verringerung des Aufwandes und damit eine Verbesserung der Störanfälligkeit, da die Stäranfalligkeit mit dem Aufwand steigt. Bei einer Vermehrung um mehr als einen Gleichspannungswandler, wird die Ausfallsicherheit weiter gesteigert. Dabei ist es zweckmäßig die Gleichspannungswandler eingangsseitig über je eine Koppeleinheit an die Versorgungsspannung zweier Versorgungssträngen zu schalten und die Koppeleinheiten aus entsprechend gepolten Dioden mit in Reihe geschaltet ten Sicherungen aufzubauen.The measure according to the invention means, for. B. that in the division the nominal load of a data processing channel on four DC-DC converters, five or more DC / DC converters are to be provided, so that there is a power surplus of at least 25%. Compared to a double redundant power supply, which would require 100% power overhead, this is a significant reduction of the effort and thus an improvement in the susceptibility to failure, since the susceptibility to failure increases with the effort. In the case of an increase by more than one DC voltage converter, the reliability is further increased. It is useful to use the DC voltage converter on the input side via a coupling unit each to the supply voltage of two supply lines to switch and the coupling units from appropriately polarized diodes with in series set up switched fuses.
Die Gleichspannungswandler können dabei als voll funktionsfähige austauschbare Geräte in Modul form aufgebaut werden und enthalten in bekannter Weise zwei im Gegentakt betriebene Schaltstufen, die über einen auf der Primärseite mittelpunktangezapften Transformator und eine Gleich- richterstufe die gewünschte Ausgangsspannung erzeugen, welche als Istwert einem mit der Sollwertspannung versorgten Regelverstärker zugeführt ist, der über einen Optokoppler einen pulsbreitenbeeinflußbaren Schaltregler zur Gegentaktsteuerung der mit MOS-FET-Transistoren bestückten -Schaltstufen steuert. Dieser Schaltungsaufbau sichert eine verlustarme Versorgung der Datenverarbeitungskanäle auch bei erheblichen Schwankungen der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung.The DC / DC converters can be used as fully functional replaceable Devices are built in module form and contain, in a known manner, two in push-pull operated switching stages that are tapped via a center point on the primary side Transformer and a DC the desired output voltage generate which as actual value to a control amplifier supplied with the setpoint voltage is fed, which via an optocoupler is a switching regulator that can be influenced by the pulse width for push-pull control of the switching stages equipped with MOS-FET transistors. This circuit structure ensures a low-loss supply of the data processing channels even with significant fluctuations in the available supply voltage.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawing.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Versorgung einer redundanten Datenver--arbeitungseinrichtung und Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers.1 shows a block diagram for supplying a redundant one Data processing device and FIG. 2 shows a block diagram of a DC voltage converter.
In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein aus drei Kanälen 1, 2, 3 bestehendes redundantes Datenverarbeitungssystem zu sehen, wobei es sich um eine mit Computern 4, 5, 6 aufgebaute Steuerung für ein Luftfahrzeug handelt.In the illustration according to FIG. 1, there is one consisting of three channels 1, 2, 3 redundant computing system, being one with computers 4, 5, 6 constructed control for an aircraft is.
Jedem der Computer 4, 5, 6 ist eine eigene Stromversorgung zugeordnet, die in ihren Einzelheiten lediglich für den Kanal 1 dargestellt ist. Zur Stromversorgung sind in einem Luftfahrzeug grundsätzlich mehrere Primärversorgungssysteme vorgesehen. Bei der vorliegenden Erfindung existieren vier Primärversorgungssysteme 7, 8, 9, 10, welche jeweils eine Gleichspannung von 28 V über Schalter 11, 12, 13, 14 auf eine von vier Versorgungssträngen 15, 16, 17, 18 schalten. Von diesen Versorgungssträngen ( 15, 16, 17, 18 ) wird die Stromversorgung für die Datenverarbeitungskanäle 1, 2, 3 abgeleitet. Im vorliegenden Fall benöti-gen die Computer drei verschiedene Betriebsspannungen und zwar 5 V, 15 V und - 15 V, außerdem ist festgelegt, daß die aufzubringende Nennlast für 5 V auf fünf Gleichspannungswandler und die für 15 V bzw. - 15 V auf jeweils zwei Gleichspannungswandler gleicher Leistung aufgeteilt ist. Gemäß der Erfindung werden damit sechs Gleichspannungswandler 20 für 5 V und jeweils drei Gleichspannungswandler 21, 22 für 15 V bzw. - 15 V eingesetzt, so daß sich für 5 V eine Redundanz für die Leistung von 20 % und für 15 V bzw.Each of the computers 4, 5, 6 is assigned its own power supply, which is only shown in detail for channel 1. For power supply In principle, several primary supply systems are provided in an aircraft. In the present invention there are four primary supply systems 7, 8, 9, 10, which each have a DC voltage of 28 V via switches 11, 12, 13, 14 switch one of four supply lines 15, 16, 17, 18. From these supply lines (15, 16, 17, 18) is the power supply for the data processing channels 1, 2, 3 derived. In the present case, the computers need three different ones Operating voltages, namely 5 V, 15 V and - 15 V, it is also specified that the Nominal load to be applied for 5 V on five DC voltage converters and the one for 15 V or - 15 V divided between two DC / DC converters of the same power is. According to the invention, six DC voltage converters 20 for 5 V and three DC voltage converters 21, 22 for 15 V and -15 V, respectively, so that For 5 V there is a redundancy of 20% for the power and for 15 V or
- 15 V eine Redundanz von 50 % ergibt. Die jeweils gewähite Redundanz kann dabei von Luftfahrzeugspezifischen Forderungen abhängen. Bei einem Ausfall eines der Gleichspannungswandler bleibt die Versorgung in Höhe der Nennlast aufrecht erhalten. Jeder zusätzlich vorgesehene Gleichspannungswandler bedeutet die Abdeckung eines weiteren Fehlers.- 15 V results in a redundancy of 50%. The chosen redundancy can depend on aircraft-specific requirements. If one of the the DC / DC converter maintains the supply in the amount of the nominal load. Each additional DC / DC converter provided means covering one another bug.
Wie aus der Darstellung nach Fig. 1 weiter zu ersehen ist liegt jeder der Gleichspannunngswandler 20, 21, 22 über je eine Koppeleinheit bestehend aus entsprechend gepolter Diode 23 und Sicherung 24 an zwei der Versorgungsstränge 15, 16, 17, 18, wobei durch entsprechende Verschaltung für eine hinreichend gleichmäßige Belastung der Primärversorgungssysteme 7, 8, 9, 10 gesorgt ist. Die Ausgänge der sechs Gleichspannungswandler 20 führen jeweils auf einen Sekundarversorgungsstrang 30, 31, 32, 33, 34, 35, Während die Ausgänge der drei Gleichspannungswandler 21, 22 auf je einen Versorgungsstrang 36, 37, 38 bzw. 39, 40,41 führen. Von diesen Versorgungssträngen ist die jeweilige Gleichspannung über jeweils eine Koppeleinheit ebenfalls bestehend aus entsprechend gepolter Diode 43 und einer in Reihe geschalteten Sicherung 44 atif den entsprechenden gemeinsamen Versorgungseingang des Computers geschaltet.As can be seen from the illustration according to FIG. 1, each lies the DC voltage converter 20, 21, 22 each consisting of a coupling unit appropriately polarized diode 23 and fuse 24 on two of the supply lines 15, 16, 17, 18, whereby by appropriate interconnection for a sufficiently uniform Load on the primary supply systems 7, 8, 9, 10 is taken care of. The outputs of the six DC voltage converters 20 each lead to a secondary supply line 30, 31, 32, 33, 34, 35, While the outputs of the three DC voltage converters 21, 22 each lead to a supply line 36, 37, 38 or 39, 40, 41. From these supply lines the respective DC voltage is also present via a coupling unit from a correspondingly polarized diode 43 and a series-connected fuse 44 atif switched to the corresponding common supply input of the computer.
Die Computer 1, 2, 3 haben wie in Fig. 1 dargestellt mehrere Computerfunktionen mit eigener Stromversorgung, welche von den Versorgungssträngen 30, 41 entnommen wird. Die Details sind dabei lediglich für eine Computerfunktion dargestellt und für die anderen angedeutet.The computers 1, 2, 3, as shown in FIG. 1, have several computer functions with its own power supply, which is taken from the supply lines 30, 41 will. The details are only shown for a computer function and indicated for the others.
Eine Steuerüberwachungs- und Testeinrichtung 45 dient wie dargestellt zur Steuerung der Gleichspannungswandler, wobei gleichzeitig die Eingangs- und Ausgangsspannungen der Gleichspannungswandler sowiedie Computerfunktionen zu Testzwecken überwacht werden. Diese Einrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung.A control monitoring and testing device 45 is used as shown to control the DC-DC converter, with the input and output voltages at the same time the DC / DC converter and the computer functions are monitored for test purposes will. This device is not the subject of the invention.
In der Darstellung nach Fig. 2 ist ein Blockschaltbild für die Gleichspannungswandler zu sehen, welche zur Einstellung der am Ausgang gewünschten Spannung UA eine Sollwertstufe 50 aufweisen. Zum Vergleich der Sollwertspannung mit dem vom Ausgang über ein Potentiometer 51 abgreifbaren. Istwert dient ein Regel verstärker 52, dessen Ausgangssignal über einen Optokoppler 53 zur galvanischen Entkopplung einem Schaltregler 54 zugeführt ist. Das Regelsignal beeinflußt die Impulsbreiten der vom Schaltregler 54 erzeugten Impulse dessen Taktfrequenz wie durch einen Pfeil angedeutet als Parameter eingegeben werden kann, wobei auch noch die statische und dynamische Verstärkung sowie die Strombegrenzung vorgebbar sind. Der Schaltregler 54 steuert somit mit seinen beiden Ausgangen je eine Schaltstufe 55, 56 im Gegentakt an, so daß diese nach dem bei Schaltnetzteilen bekannten Verfahren die Primärwicklung 58 eines Transformators 57 beeinflußen. Für die Schaltstufen sind dabei MOS - FET- Transistoren eingesetzt, denen mit CMOS-FET- Transistoren bestückte nicht dargestellte Treiberstufen vorgeschaltet sind. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Gleichspannungswandler wesentlich verbessert. Die Primärwicklung 58 ist dabei mittelpunktangezapft, worüber die Stromzuführung von der Stromversorgung 60 über ein Filter 61 erfolgt.In the illustration according to FIG. 2 is a block diagram for the DC voltage converter to see which setpoint stage is used to set the voltage UA required at the output 50 have. To compare the setpoint voltage with that of the output via a potentiometer 51 tapped. Actual value is a control amplifier 52, whose output signal is about an optocoupler 53 is fed to a switching regulator 54 for galvanic decoupling is. The control signal influences the pulse widths generated by the switching regulator 54 Impulses whose clock frequency as by one Arrow indicated as Parameters can be entered, including the static and dynamic gain and the current limit can be specified. The switching regulator 54 thus controls its two outputs each have a switching stage 55, 56 in push-pull, so that this the primary winding 58 of a transformer according to the method known from switched-mode power supplies 57 influence. MOS - FET transistors are used for the switching stages, those with CMOS-FET transistors equipped driver stages, not shown, are connected upstream are. This significantly improves the efficiency of the DC voltage converter. The primary winding 58 is tapped at the center, via which the power supply from the power supply 60 via a filter 61.
Der Maximalwert der auf die Sekundarwickling 59 des Transformators 57 transformierbaren Spannung wird dabei durch die Höhe der Versorgungsspannung, das Übersetzungsverhältnis und die geregelten Impulsbreiten des Schaltreglers 54 bestimmt. Das Filter 61 ist hierbei zur Unterdrükkung von Taktfrequenzstörungen vorgesehen, welche sonst rückwärts in die zapften und auf 60 eindringen könnten. Von der ebenfalls mittelpunktange-Wechselspannung Masse bezogenen Sekundärwicklung wird transformierte Wechselspannung über eine Gleichrichterstufe 62 geleitet und über ein Filter 63 zum Verbrauch zur Verfügung gestellt.The maximum value of the secondary winding 59 of the transformer 57 transformable voltage is determined by the level of the supply voltage, the gear ratio and the regulated pulse widths of the switching regulator 54 certainly. The filter 61 is here to suppress clock frequency interference provided, which otherwise could penetrate backwards into the tenons and on 60. Secondary winding, also referenced to ground, from the midpoint alternating voltage transformed AC voltage is passed through a rectifier stage 62 and made available for consumption via a filter 63.
Die Gleichspannungswandler die nach der in Fig. 1 dargestellten redundanin Weise die Versorgung der Datenverarbeitungskanäle übernehmen, sind in Modulform jeweils als vollfunktionsfähige Einzelgeräte aufgebaut und können daher insbesondere im Störungsfall leicht ausgetauscht werden.The DC-DC converters are redundant according to the one shown in FIG Way to take over the supply of the data processing channels are in module form each constructed as fully functional individual devices and can therefore in particular can be easily replaced in the event of a fault.
Durch diese Tatsache und durch die Aufteilung-der Nennlast auf mehrere Gleichspannungswandler und einen zusätzlichen zur eringem Zusatzaufw vorgesehenen Gleichspannungswandler ergibt sich bei geringem Zusatzaufwand eine hervorragende Ausfallsicherheit. Der einer redundanter ersorgung redundant aufr kann daher auch bei einer Störung in der Stromversorgung redundant aufrecht erhalten werden. Dabei ist es möglich einen Fehler in einem der Primärversorgungssysteme g, einen Aus einen Fehler in der Koppeleinheit der Spannungszuführung, einen Ausfall eines Spannungswandlers oder einen Ausfall in der Koppeleinheit der Spannungsabführung abzudecken.Due to this fact and by dividing the nominal load over several DC / DC converter and an additional one provided for additional expenditure DC / DC converter results in an excellent one with little additional effort Resilience. A redundant supply can therefore also be implemented redundantly be maintained redundantly in the event of a fault in the power supply. Included it is possible a fault in one of the primary supply systems g, an off one Error in the coupling unit of the voltage supply, failure of a voltage converter or to cover a failure in the coupling unit of the voltage dissipation.
1. Kanal 38 Versorgungsstrang 2 Kanal 39 3 Kanla 40 4 Computer 41 5 Computer zu 43 Diode 6 Computer 44 Sicherung 7 Primärversorgungssystem 45 Steuer- Oberwachungs- und Testein-8 Primärversorgungssystem richtung 10 Primärversorgungssystem 50 Sollwertstufe 11 Schalter 51 Potentiometer 12 Schalter 52 Regel verstärker 13 Schalter 53 Optokoppler 14 Schalter 54 Schaltregler 15 Versorgungsstrang 55 Schaltstufe 16 Versorgungsstrang 56 17 Versrgungsstrang 57 Transformator 18 Versorgungsstrang 58 Primärwicklung 20 Gleichspannungswandler 59 Sekundärwicklung 21 Gleichspannungswandler 60 Stromversorgung 22 Gleichspannungswandler 61 Filter 23 Diode 62 Gleichrichterstufe 24 Sicherung 63 Filter 30 Versorgungsstrang 31 Versorgungsstrang 32 33 " 34 " 35 " 36 37 " L e e r s e i t e1st channel 38 supply line 2 channel 39 3 channel 40 4 computer 41 5 computer to 43 diode 6 computer 44 fuse 7 primary supply system 45 control Monitoring and testing equipment 8 primary supply system direction 10 primary supply system 50 setpoint stage 11 switch 51 potentiometer 12 switch 52 control amplifier 13 Switch 53 Optocoupler 14 Switch 54 Switching controller 15 Supply line 55 Switching stage 16 Supply line 56 17 Supply line 57 Transformer 18 Supply line 58 Primary winding 20 DC voltage converter 59 Secondary winding 21 DC voltage converter 60 Power supply 22 DC voltage converter 61 Filter 23 Diode 62 Rectifier stage 24 fuse 63 filter 30 supply line 31 supply line 32 33 "34" 35 "36 37" L e r s e i t e
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Publications (1)
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| 8127 | New person/name/address of the applicant |
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |