应用于模块化航电系统的电源冗余备份装置的制作方法

技术领域：

本发明是一种应用于模块化航电系统的电源冗余备份装置，特别涉及在机载交流电环境下，单个背板上多模块、大功率条件下的电源冗余备份装置。

背景技术：
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目前飞机平台主要提供115vac电源和28vdc，当用电设备功率较大时，若直接使用28vdc电源则需要电流较大，增加了电源系统的负担，因此，大功率电子设备更倾向于从115vac获取电能。但是115vac电源主要由大功率发电机产生，性能存在不足：

1.电源频率、电压稳定性不足。

2.在发电机主备切换时会有短暂掉电。

因此，大功率航电系统使用115vac电源时，需要专用的电源模块完成电源转换、稳压、掉电维持等工作。

另一方面，航空电子设备的电源需要具备冗余结构，以提高安全性。传统做法通常采用多个电源转换器并联的冗余结构来提供故障容错度(如图2)，为了避免反向电流，在模块与负载总线间以二极管隔离。

随着航空电子设备向着综合模块化方向发展，设备的集成度提升，单个机箱的功能、功率都有极大提升，此时传统做法面临如下挑战：

(1)对器件性能要求高、散热压力大。冗余电源通过二极管并联到负载总线，由于设备数量多，总功率大，作为电源输出的必经之路，对二极管的性能要求也很高。同时，通过大电流会造成二极管发热量高，在综合模块化设备中产生严重的散热压力。

(2)无法对各电源模块功率进行默认分配。由于电源模块以并联方式接入负载总线，各模块功率由器件自动平衡，但模块的不一致性会导致功率分配的不可控。严重情况下，可能导致部分电源模块由于长期负载过重损坏。

(3)存在单点失效风险。模块全部挂在一根负载总线上，如果此负载总线出问题，则所有设备都无法工作。

(4)在完成掉电维持功能需要大量电容，而主电源和备用电源的电容独立，占用体积过大。

技术实现要素：
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本发明的发明目的在于提供一种应用于模块化航电系统的电源冗余备份装置，解决模块化航空电子设备中，电源模块功率分配、可靠性、体积等需求无法平衡的矛盾，在保证可靠性的基础上，优化功率分配、减小模块总体积。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种应用于模块化航电系统的电源冗余备份装置，包含二个电源模块、若干个负载模块，所述电源模块被配置为将输入的115vac转换为28vdc输出，负载模块包含控制芯片，所述控制芯片包含第一电源输入接口、第二电源输入接口，第一电源输入接口连接一个电源模块，第二电源输入接口连接另一个电源模块，控制芯片被配置为默认从第一电源输入接口接收电源并发送给用电模块，当第一电源输入接口接收不到电源时切换至第二电源输入接口接收电源并发送给用电模块。

依据上述特征，任一一个电源模块并联连接部分负载模块的第一电源输入接口，并联连接剩余负载模块的第二电源输入接口。

依据上述特征，所述电源模块包含串联的升压模块和降压模块，所述升压模块用于将输入的115vac转换为270vdc，所述降压模块用于将270vdc转换为28vdc输出给负载模块。

依据上述特征，所述的电源冗余备份装置还包含与二个电源模块并联的掉电维持电容，所述电源模块还被配置为当接收不到115vac时，从掉电维持电容中获取电源。

使用以上电源冗余备份装置，当设备正常工作时，各个电源模块平均分配功率，此时各用电模块负荷均等，产热分散，器件的损耗较小。

当某个电源模块失效时，该失效的电源模块输出的电源+28v降为0，默认使用此电源模块作为主电源的负载模块将检测到电压的变化，从而切换到使用备用的电源模块上。

当外部电源切换，115v短时间掉电时，电源模块从掉电维持电容中获取电能，短时间维持+28v稳定，从而屏蔽外部电源切换带来的问题。

附图说明:

图1为实施例所述的电源冗余备份装置的结构示意图；

图2为传统电源冗余备份装置的结构示意图，用电设备挂载同一电源总线的拓扑结构；

图3为实施例所述的电源模块结构；

图4为实施例所述的负载模块电源接入方法。

具体实施方式：

以下结合具体的实施例和附图来对本发明进行详细的论述。图1以1:1备份为例，应用于模块化航电系统的电源冗余备份装置，包含二个电源模块、若干个负载模块，电源模块被配置为将输入的115vac转换为28vdc输出，负载模块包含控制芯片，控制芯片包含第一电源输入接口、第二电源输入接口，第一电源输入接口连接一个电源模块，第二电源输入接口连接另一个电源模块，控制芯片被配置为默认从第一电源输入接口接收电源并发送给用电模块，当第一电源输入接口接收不到电源时切换至第二电源输入接口接收电源并发送给用电模块。

作为举例而非限定，电源模块可以采用二级转换(如图3)，包含升压模块和降压模块，升压模块将输入的一路115vac通过三相整流桥转换270vdc送入降压模块，降压模块通过dcdc转换器将270vdc转换为28vdc。掉电维持电容并联在升压模块和降压模块之间通过接口引出，在外部与所有电源模块公用。当系统掉电时，降压模块从掉电维持电容中获取电能，继续工作，直到降压模块的输入低于最低工作电压vmin,由于掉电维持电容容量与电压差的平方成反比，使用升压模块产生的中间电压270v较高，有助于减小需要的电容值。其外，掉电维持电容由多个电容并联组成，可靠性较高。

作为举例而非限定，图4给出了基于linear公司ltc4416控制芯片的负载模块的参考结构示意图。该参考方案中，v1为主电源输入电压，v2为备用电源输入电压。v1经电阻分压后提供使能信号。当v1＝28v，e1＞vref[1]，通道1被使能，g1驱动q1、q2开通，vout＝v1＝28v，此时输入高电平无效，通道2关闭；当v1＜最低允许电压vinmin[2]，e1＜vref，输入低电平无效，q1、q2被关断，v1不再向vout供电，而此时被使能，q3、q4导通，vout＝v2＝28v。如此即可完成电源主备选择与合路。

电源冗余备份装置的使用过程如下：

步骤1)统计电子设备总功率、各用电模块功率，并对用电模块进行分类。依据各用电模块的功能与飞机安全的相关程度，将用电模块的类别分为重要类和一般类。

步骤2)根据安全性、可靠性要求，确定各用电模块的电源功率、冗余功率。

步骤3)为每个用电模块配置一个负载模块，根据用电模块的类别和功率，负载模块的第一电源输入接口连接合适的电源模块作为主电源，负载模块的第二电源输入接口另外连接一个合适的电源模块作为备份电源。如图1中所示，对于负载模块1——n来说，其主电源由电源模块1供给，备份电源由电源模块2供给，对于负载模块n+1——2n来说，其主电源由电源模块2供给，备份电源由电源模块2供给。当有电源失效时，负载模块会自动进行主备切换。主备电源选择、合路在负载模块中实现，相对于传统电源冗余的结构(图2)，新方法的优势在于：1.不再需要二极管隔离，防止了电流较大时在二极管上电能损耗大、产热大的问题。2.为各个负载模块分配了默认电源，有利于功率的平均分配和控制。

步骤4)、电源模块能正常接收到115vac,升压模块将115vac转换为270vdc送入降压模块和掉电维持电容，降压模块将270vdc转换为28vdc输出。负载模块默认从第一电源输入接口接收电源。

步骤5)、当外部电源切换，115v短时间掉电时，电源模块从掉电维持电容中获取电能，短时间维持+28v稳定，从而屏蔽外部电源切换带来的问题。当某个电源模块失效时，该电源模块输出的主电源+28v和备用电源+28v均降为0，默认使用此路电源的负载模块的第一电源输入接口检测到电压的变化，从而切换至由第二电源输入接口接收备用电源。

本实施例在负载模块内进行主备电源切换的优势在于可以为用电模块分配默认使用电源，同时电源检测电路裕度较大，可以有效防止电源反复切换。

以上所述，为本发明的一个具体实例，但此方法并不局限于1:1电源备份的情况。相对于传统做法，本发明在完成电源冗余备份的同时，针对大功率和模块化的航电设备做了设计，使得各电源模块输出功率平衡、具备掉电维持功能且电容体积较小、可有效防止电源反复切换。