分布式供电系统,军用数字系统新技术

电力18讯：    一、概述
    无论是通信、雷达或计算机,总的技术趋势是采用各种规模的数字系统或功能模块来提
高性能、可靠性、可维修性并降低设计、生产和使用成本。供电系统是军、民设备中的心
脏。80年代中期以来,分布式供电系统已经在军事或民用装备中获得日益广泛的应用。
    美国早期的空军战斗机F-14、F16等均采用符合美国系列军标(Mil-sta-xxxx)的电源
变换器。麦道公司为美国空军制造的最新型运输机C-17(全球霸王-3)于1994年6月3日在爱
德华兹空军基地创造了短距离起降戴荷的世界新记录,8月10日从离地1300英尺高空将重约
4万磅(约1.81万公斤)的装甲车空投成功,飞机滑行不足1500英尺(约500m),是短距离、低空
投掷的新记录。目前最新巨型民用客机波音-777,其供电系统也采用了高可靠电源。因此,
围绕分布式供电系统,我们分析研究一下有关的技术和产品是十分必要的。
    所谓"分布式供电",是指在一个数字系统中每块电路板或功能模块都有自身的靠近其负
荷点(Point of use)的局部直流―直流变换器(DC/DC Converter)。
二、分布式供电系统的组成及特点
分布式供电系统包括交(直)流输入电源。交流―直流变换器(AC/DC Converter)、直流
――直流变换器以及备用电池组。核心是装在电路板插件上的DC/DC变换器。其示意框图如
下:
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分布式供电系统的特点如下:
1.每块电路板或功能模块上带有靠近负载点的DC/DC变换器,因此可减少连线和母线数
量,同时降低寄生电容效应,可以提高瞬时响应速度。
2.系统中的AC/DC变换器,可采用较高的电压(如300伏),降低电流传导,从而有利于电气
连接,降低传导发射。
3.重量轻、尺寸小,提高电源部件的防震、抗冲击能力。
4.系统中功耗产生的热量分散到各处,便于散热,便于热设计。一般电路板上的5W～5
0W的变换器可以自然冷却,不需另装风扇强迫致冷。
5.提高了系统可靠性和可维修性。只要对电路板进行检测,能将发生的电源故障隔离在
小范围内,便于故障诊断及部件更换。
三、分布式供电系统中的关键技术
    这里所说的关键技术,主要是从设计、使用角度来叙述的,一般不涉及生产技术。现分
别介绍如下。
1.安全性
    从分布供电系统框图可知,它的组成虽然可以灵活配置,但无论是系统升级或对其中某
一部件的更换。都必须保证系统的安全性。
不同的国家往往其安全标准和要求不同,但总的原则是限制操作人员和维修人员触摸到
最大电压值。常用"安全极低电压"(SELV-Safe Extreme Low Voltage)表示。一些国家不同
的安全认证机构给定的SELV值可能不同。目前最广泛接受的SELV值略高于60V直流电压。
通信行业中的48V直流电压标准,比较接近60伏,若供电系统选用的中间级母板电压额定
值为48伏,系统更容易通过安全认证。
过去,大型计算机中常将交流电整流、滤波后变成300V左右的直流中间级电压,优点是
可降低AC/DC变换器、中间级电压的输送成本(因为采用低电流传送),此时对高电压母线的
安全设计重点在表面漏电、间隙漏电、防止电冲击以及高能量积聚可能引发短路现象等等
。如果保险丝烧断等引起中间级母线上负载瞬时变化,母线上的电感可能会产生大能量的电
压脉冲。
2.可靠性设计技术
    可靠性对供电系统而言,是整个电子设备总系统中一项关键因素。系统可靠性指标随其
中部件、元件数量的增加而下降,因此对于分布供电,其DC/DC变换器可靠性指标十分重要。
许多供应商采用设计值(计算值)在产品说明书给出,其是否经过长期测试(批量生产、实际
应用)尚有待验证。
目前,在恶劣环境中使用的电子设备,广泛采用美国军标手册Mil-HDBK-217作为标准。
它依据一个数据库,其中包括各类元件和它们的现场失效率,它们基于军用元件和长期积累
、统计。对民品而言,该标准过于苛刻。在IC、磁性元件、变压器等方面,手册中的数据与
实际性能存在偏差。另外,某些DC/DC供应商声称他们产品实际现场性能远比按Mil-HDBK-2
17预值高得多。
可维修性(MTTR),也是现场实际关注的性能,一般在分布供电系统中,DC/DC变换器的故
障、失效仅影响一块功能模块或一块插件。加之有些产品可以实现带电更换,其系统MTTR所
需时间大为缩短。AC/DC变换器输出短路概率很低,在高效系统采用(N+1)等备份冗余技术可
进一步提高系统可靠性。
供电系统的可靠性还和热设计技术密切相关。
从系统设计角度如何提高可靠性?
一是故障隔离技术,分布供电易实现。另一是利用可编程控制加电顺序,利用外部信号
控制变换器的接通与断开以及启动时的电压数值。最后,对变换器的输入电压、输出电压的
欠电压、过电压保护措施以及中间级母线的负载和短路的过电流保护也应仔细考虑。在有
电池备份的系统中,如果负载具有恒定功率特性，可以确保有过流保护的变换器始终运行在
受控状态,从而保证和提高了供电系统的可靠性。
3.热设计技术
经验表明,系统工作温度如因热设计不当,温升10℃,常导致系统MTBF值下降一半。有人
甚至认为,若人手触摸过热,可以判定该产品设计选择不当。AC/DC,DC/DC变换器的功率密度
(瓦/单位体积)往往是在其安装电路板的平均功率密度的数倍至10倍。因此,热设计首先要
针对"热源"。
为了散去功率密度高的变换器的热量,可以采用传导,自然对流和各种强迫致冷等方法
。
系统设计时,要确知各种温度的量值及界定其技术内容。此外,还要确定电路板布局、
安装方式以及采用何种散热、致冷技术。
温度,包括环境温度(室内、室外不同)、电源壳体温度,元件中心温度(元件的内部温度
,半导体器件的结温Tj)、元件表面温度(变换器中的元件温度)、散热温度(连接在变换器上
的散热片的平均温度)以及插针温度等。
传导方法适合低功率器件。优点是成本低、对方向不敏感,便于安装和热分析。
自然对流冷却,适合低、中功率器件。成本低、安装密度不高。
强迫对流或空调。适合中、高功率系统,安装密度高,对安装的方向性敏感,可能要加强
现场维护,成本高。为减小供电系统的重量,目前国内外常用半导体式空调设备。
过去,大型计算机系统由于负载电流过大曾采用循环冷却液。相反,功率小于10W的变换
器通过管脚就能散热。
可喜的是,目前通过计算机辅助设计(CAD),利用现成的电路板或设备的热设计软件包,
简化和改善了供电系统的热设计工作。
另外,为了估算标准IC的功率消耗,已有专用的测试系统,虽然其售价昂贵。
4.电磁兼容性设计
    对于电磁兼容性要求,已有标准可循。例如,Mil-std-461、-462;mil-E-60510;mil-st
a-1541、1542等等。
从系统设计角度考虑,采用分布式供电可以减少繁多的连线和母线的数目,减少寄生效
应,有利于EMC电磁兼容性能。
变换器的工作方式有变频和恒频两种。当变换器用脉宽调制(PWM)时,它会发射难以滤
波的传导和滤波共模噪声、正交模和辐射噪声,其输出端会随负载增大引发脉冲。
Vicor公司用变频谐振电路,其效率比相当容量的PWM变换器高。它能使用小功率、低噪
声风扇。
目前,在"绿色"节省型微机和低电压(3.3伏)温盘驱动器上,可能会在电路板上引发大电
流浪涌。
AC/DC和DC/DC变换器本身均按有关EMC标准进行设计、生产,以保证系统EMC性能的实现
。
    系统接地问题也是重要的。隔离式DC/DC变换器虽然售价较高,但比较安全,而且可以减
少与系统噪声、接地回路、输出之间的感应等问题。当分布供电系统用隔离式DC/DC时,电
源的共地和信号的共地是分开的。
集中供电或采用非隔离式DC/DC的分布供电系统中,电源系统的共地也就是信号的公用
地线。问题比较复杂。
    作为系统设计,从框图可知,采用经过功率因数校正(PFC)的AC/DC变换器,它能较顺利地
通过认证机构对传导噪声的严格限定。
在变换器中,交流输入可能是单相(1Φ)或三相(3Φ)电源,有些AC/DC变换器具有自动变
换量程功能。虽然多数供电系统均有PFC功能,但仍在使用能够从单相电源取得最大允许电
流的工作方式