機載計算機電源系統的製作方法

2023-05-11 09:49:31 2

專利名稱：機載計算機電源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機領域，具體涉及一種機載計算機電源系統。
背景技術：
目前，航空電子系統中的計算機高度綜合化，和機載電子設備不斷增加，需要能夠 實現智能化管理的更加高效、可靠的電源系統。該項目國內相關機載產品廠所尚未開展，國 外新一代飛機航電綜合處理機已採用此項技術。隨著戰鬥機供電方式的改變、以及機載設 備高度綜合化程度的提高，高密度、高可靠電源系統將成為綜合核心處理機應用的關鍵部 分，分布式電源系統便應運而生，它具有輸出功率可擴展性、使設計靈活、高可靠性、設計標 準化、易於維護等優點。尤其是對其關鍵技術電源系統的智能管理的研究，將很好地滿足新 一代飛機綜合核心處理機對其電源的需求。

發明內容
為了解決現有電源滿足不了現有飛機綜合核心處理機的需求技術問題，本發明提 供一種機載計算機電源系統。 本發明提供的智能分布式電源系統包括電源變換模塊(PCM)、開關陣列(PSA)、電 源管理模塊(PMS)以及計算機電子模塊(LRM);所述計算機電子模塊(LRM)上置有二次電 源變換組件(PCE)以及多個電壓調節組件(VRM);所述電源變換模塊(PCM)為電源轉換單 元分布在集成機架上，實現高壓輸入到穩定的48V中間母線電壓的功率變換，通過開關陣 列(PSA)與分布在各計算機電子模塊(LRM)模塊上的二次電源變換組件(PCE)相連接，實 現對各計算機電子模塊(LRM)進行供電；各計算機電子模塊(LRM)經二次電源變換組件 (PCE)變換成5V的直流電壓，經分布在各計算機電子模塊(LRM)上的負載(IC)旁的電壓調 節組件(VRM)，實現對負載的供電。 上述開關陣列(PSA)為帶電荷泵的可控大功率開關。 上述電源變換模塊(PCM)採用標準的LRM結構分布在計算機集成機架上。 上述二次電源變換組件(PCE)採用非標準組件結構分布在計算機電子模塊(LRM)上。 上述電壓調節組件(VRM)採用非標準組件結構分布在計算機電子模塊(LRM)上的 負載(IC)旁。 實施本發明的機載計算機電源系統，具有以下有益效果 智能管理電源技術應能實時監控計算機供電運行狀態，進行故障隔離和控制機架 中電源的分配重構以及應急供電的配置，實現計算機電源餘度供電、故障監控和隔離、加電 順序控制的智能化管理目標。


圖1為本發明智能分布式電源系統3
圖2為本發明中電源變換模塊的原理框圖； 圖3為本發明中電源管理模塊軟體的主程序流程圖； 圖4為本發明中電源管理模塊軟體中中斷服務子程序流程圖； 圖5為本發明中電源管理模塊軟體中通訊子程序流程圖； 圖6為本發明中AUXPS電磁濾波的原理圖。
具體實施例方式
參見圖l，智能分布式電源系統由一次電源變換模塊(PCM)、開關陣列(PSA)、電源 管理模塊(PMS)、若干個放置在計算機電子模塊(LRM)上的二次電源變換組件(PCE)以及多 個電壓調節組件(VRM)組成。 —次電源變換模塊(PCM)採用標準的LRM結構(長233mm，寬160mm，厚50mm)，分
布在計算機集成機架上。 二次電源組件(PCE)採用非標準組件結構，分布在計算機電子模塊(LRM)上。
電壓調節組件(VRM)採用非標準組件結構，分布在LRM上的負載(IC)旁。
270V高壓直流經過電源變換模塊(PCM)變換，輸出穩定的48V直流電壓，經過PSA 控制給所有機架中的LRM模塊提供餘度供電，應急輸入的48V與電源變換模塊(PCM)變換 後的48V直流電壓一起給機架中關鍵的計算機電子模塊(LRM)供電，以提高關鍵模塊的任 務可靠性。每一個計算機電子模塊(LRM)上經過二次電源變換組件(PCE)變換產生5V輸 出的直流電壓，再經過電壓調節組件(VRM)就近變換產生晶片所需的1.2V、1.8V及2. 5V等 低壓大電流輸出，減少由於線纜傳輸造成的電壓波動。 電源變換模塊(PCM)採用並聯冗餘結構來提高系統的可靠性，即採用3+1個電源 模塊以並聯方式對計算機系統供電，圖1中僅畫出了由一組2個電源變換模塊(PCM)組成 的智能分布式電源架構，各電源模塊平均分擔系統的功率容量，而一旦其中某個模塊出現 故障問題而停止供電時，備用模塊能自動加以接替，或是餘下的模塊分擔故障模塊原先承 擔的負載電流，整個電源系統照常運行。從而有效地避免了電源子系統可能發生的任何故 障。 參見圖2，電源變換模塊(PCM)採用高壓270V高壓直流供電，並將其變換為穩定 的48V直流電壓，主要由高壓DC/DC變換器(PCU)、開關陣列(PSA)、電源管理系統(PMS)、 網絡接口單元(FC接口 )以及輔助電源(AUXPS)構成。具有電源自測試、PCE狀態監測、上 下電控制、故障隔離、負載均流等智能管理功能。開關陣列PSA由低通態電阻的功率場效應 管(MOSFET)、專用的控制驅動器組成，是電源變換模塊(PCM)中用於與後級二次電源變換 組件(PCE)用電設備相連的設備，實現48V輸出的通、斷控制和故障隔離功能，它接受PMS 指令，完成上、下電順序控制功能。電源管理系統(PMS)承擔為分布式二次電源可靠供電的 任務，主要對高壓DC/DC變換器(PCU)的輸出電壓以及每路二次電源變換組件(PCE)供電 進行有效的狀態檢測和控制，防止故障蔓延。
主要完成如下功能 1)、電源變換模塊(PCM)上電，若電源自測試結果正確，管理計算機則以一組固定
的動作序列去進行開關陣列的控制，在預先定義好的某幾路開關上輸出； 2)、管理計算機接受上一級管理單元的指令來對任意開關陣列的動作與否、動作
4組合及動作順序進行控制； 3)、對每路開關陣列的狀態進行監控， 一旦開關流過的電流超出範圍 (Is > IsMAX)或方向相反，管理計算機立即發出控制命令，進行開關陣列中相應的開關狀 態的切換； 4)、各種動作狀態、保護、報警信息和數據信息檢測值能夠通過網絡接口與上一級 管理單元進行傳輸。 其中，二次電源變換組件(PCE)是將48V直流母線電壓變換到中間電壓(5V或 3. 3V)，具有輸出過壓、過流短路保護、外部可關斷(on/off)功能；在此供電系統中n塊PCM 採用並聯冗餘結構提供給各路負載，由於故障容錯緣故，每個負載(PCE)至少有兩路48V直 流供電輸入，並且要求這兩路供電輸入均流，使每個模塊都能有效地輸出功率，使各模塊處 於最佳工作狀態，以保證電源系統能夠穩定、可靠、高效地工作。VRM是將中間電壓變換為各 個板極負載點所需的低壓(2. 5V、1.8V等)大電流(最高可達20A)輸出，具有外部同步、外 部可關斷(on/off)功能。 下面對開關陣列單元的小型化設計技術特徵解釋如下 開關陣列(PSA) (Power Switch Array)主要實現48V輸出通、斷控制和故障隔離 功能，能實現這一功能的器件有繼電器開關，有源開關，它們的性能對比如表1所示。
開關器件性能對比
繼電器開關有源開關
優 點不僅能實現開關而且具有隔離功能， 易控制、電路簡單。開關速度快，導通電阻小(幾 十mQ)、損耗小。電流容量 大，無二次擊穿機理。S0-8 封裝器件，有體積優勢。
不 足開、關動作時間長，一般在5ms 10ms，控制線圈存在反擊電壓尖峰， 需要消除尖峰電路。開關觸點可靠性 低，體積較大。控制電路較複雜，開關控制 的電壓愈高，控制電路愈復 雜。 開關陣列(PSA)由有源開關陣列、驅動電路組成。為了減小體積，實現小型化，它 須集成電荷泵和N溝道M0S管，並具有過載保護、電流限制、短路保護、過壓保護、過溫保護、 輸出負壓鉗位等功能。 參見圖3-圖5，PMS系統軟體設計主要包括主程序、中斷服務子程序和通訊程序的 設計。 圖3中，主程序主要完成中斷初始化、多路開關、A/D等晶片初始化、配置電源模塊 的地址、上電、周期、應急BIT工作模式等； 圖4中，中斷服務子程序主要完成每路電壓和電流值的A/D採集； 圖5中，通訊子程序根據預先規定的通訊協議，完成與主控模塊的通訊以及PSA狀
態切換的功能。
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參見圖6，電源管理系統(PMS)單元硬體電路屬於數字電路，與電源電路相比抗幹 擾較差，而且工作在大功率轉換模塊這個惡劣的電磁幹擾(EMI)環境中，更要注意EMI對計 算機軟硬體的幹擾。設計重點包括AUXPS、接地、屏蔽。AUXPS主要為PMS提供低壓直流電， 5V、 士15V。為了防止開關電源噪聲通過電源線進入AUXPS、進入電源管理系統(PMS)，一是 要對28V電源進行濾波；二是需要將5V、 ± 15V地與28V地隔離，要求不影響共地。輻射噪 聲可能是電場輻射噪聲，也可能是磁場輻射噪聲。磁場輻射噪聲是由高的電流變化率di/ dt引起的。為了減少磁場輻射，敏感電路、敏感元件要遠離強輻射電路。通過合理地分布印 制板上各種元件可以減弱輻射噪聲，小信號線要遠離噪聲源，而且輸入、輸出線儘可能的遠 離。也可在電源結構設計時，採用低電阻的鋁金屬材料把整個電源屏蔽起來，以減少內外電 導線的影響和高頻電磁場的輻射。 本申請提供的分布式、智能管理電源系統是新一代飛機綜合核心處理機發展的必 然趨勢，可滿足其對電源功率密度、變換效率、體積、重量等性能的要求，並且電源系統自身 的監測能力、故障診斷和隔離、容錯重構能力大大提高，具有良好的工程應用前景。
權利要求
一種機載計算機電源系統，其特徵在於所述系統包括電源變換模塊(PCM)、開關陣列(PSA)、電源管理模塊(PMS)以及計算機電子模塊(LRM)；所述計算機電子模塊(LRM)上置有二次電源變換組件(PCE)以及多個電壓調節組件(VRM)；所述電源變換模塊(PCM)為電源轉換單元分布在集成機架上，實現高壓輸入到穩定的48V中間母線電壓的功率變換，通過開關陣列(PSA)與分布在各計算機電子模塊(LRM)模塊上的二次電源變換組件(PCE)相連接，實現對各計算機電子模塊(LRM)進行供電；各計算機電子模塊(LRM)經二次電源變換組件(PCE)變換成5V的直流電壓，經分布在各計算機電子模塊(LRM)上的負載(IC)旁的電壓調節組件(VRM)，實現對負載的供電。
2. 根據權利要求l所述的機載計算機電源系統，其特徵在於所述開關陣列(PSA)為 帶電荷泵的可控大功率開關。
3. 根據權利要求1或2所述的機載計算機電源系統，其特徵在於電源變換模塊(PCM) 採用標準的LRM結構(長233mm，寬160mm，厚50mm)，分布在計算機集成機架上。
4. 根據權利要求3所述的機載計算機電源系統，其特徵在於所述二次電源變換組件 (PCE)採用非標準組件結構分布在計算機電子模塊(LRM)上。
5. 根據權利要求4所述的機載計算機電源系統，其特徵在於所述電壓調節組件(VRM) 採用非標準組件結構分布在計算機電子模塊(LRM)上的負載(IC)旁。
全文摘要
本發明提供的機載計算機電源系統包括電源變換模塊、開關陣列、電源管理模塊以及計算機電子模塊；計算機電子模塊上置有二次電源變換組件以及多個電壓調節組件；電源變換模塊為電源轉換單元分布在集成機架上，實現高壓輸入到穩定的48V中間母線電壓的功率變換，通過開關陣列與分布在各計算機電子模塊模塊上的二次電源變換組件相連接，實現對各計算機電子模塊進行供電；各計算機電子模塊經二次電源變換組件變換成5V的直流電壓，經分布在各計算機電子模塊上的負載旁的電壓調節組件，實現對負載的供電。解決了現有電源可靠性差的技術問題，具有可靠性高，易於維護等優點。
文檔編號G06F1/26GK101719011SQ200910254458
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者何立軍, 孫立萌, 孟穎悟, 王泉, 田育新, 韓敏 申請人:中國航空工業集團公司第六三一研究所