机载电子设备智能供电方案设计分析

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摘要:机载电子设备综合化程度越来越高，对供电系统可靠性和安全性要求也提出了很高的要求。给出一种余度供电设计方案，采用外部及用电LＲM模块两级余度供电输入设计，通过智能电源管理对供电系统进行重构管理、故障监测、故障隔离，可实现机载设备供电系统一次故障工作、二次故障安全的要求。验证结果表明，设计能够大幅提高综合化机载电子设备供电系统的可靠性、安全性及可用性。

关键词:机载电子设备;供电系统可靠性和安全性;余度供电;智能电源管理

电子技术高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。新一代飞机机载电子设备的小型化、综合化设计已成为趋势。随着机载设备综合化程度的提高，所承担的任务数量及其重要性也越来越高，系统中电源设计已不再仅仅是满足系统供电需求的单一功能单元，供电可靠性和安全性对于机载设备完成飞机任务有着至关重要的作用［1］。余度设计是非常重要的设计方法，该方法可有效提高机载产品的可靠性和安全性，实现产品一次故障工作，二次故障安全等要求［2］。本文结合某项目综合模块化航电处理平台，提出一种双余度智能供电方案设计，采用智能电源管理，能够在发生供电、用电故障时，实现故障的检测和隔离，防止故障蔓延，维持系统功能性能，为机载电子设备安全可靠工作提供坚实的保障。

1系统供电方案设计

综合模块化航电处理平台系统供电网络如图1所示，采用2块电源模块(PSM)并联设计，完成机上供电到内部LＲM模块用电的功率转换。飞机通过2根270VDC电源汇流条向综合模块化航电处理平台提供270VDC电源，2路270VDC输入电源并联后，经过同一套滤波电路分别向2块PSM模块提供270VDC。当发生1路外部供电线路或供电设备故障时，另一路270VDC输入电源可为系统正常工作提供供电电源。系统内部2块PSM模块采用1+1余度供电设计，一旦某一电源发生故障，另一电源能独立承担对所有LＲM模块供电的能力。经过滤波的270VDC电源同时输入到2块PSM模块，每个PSM模块独立输出转换后的28VDC给用电LＲM模块，用电LＲM模块设计为2路外部并联供电输入，采用均流的方式进行工作。当发生1块电源模块故障导致输出28VDC故障、或用电LＲM模块1路供电输入接口故障时，双余度电源模块设计及双余度供电输入接口设计均可保证系统一次故障情况下正常工作。

2智能电源管理

系统中设计有系统控制器模块，负责整个系统电源管理，电源模块通过对用电设备及自身工作状态监控，接收系统控制器命令完成电源管理，这就要求电源模块不仅仅是简单的功率转换输出，而是对输入输出增加了监测和控制，同时实现与系统控制器的通信交互，能够智能的对输入和输出进行管控。电源模块功能框图如图2所示。图2电源模块功能框图

2．1智能电源监测

智能电源监测是实现智能电源管理的基础，以电源监测结果为输入，智能电源管理系统才能完成综合模块化航电处理平台的智能电源管理。智能电源监测主要通过电源模块完成对输入供电电源监测、输出供电电源监测、电源模块温度监测等［3］。输入供电电源监测主要是对输入到综合模块化航电处理平台的外部电源状态进行监测，PSM模块需要对2路外部输入进行监测，从图1可以看出，由于滤波器后端270V接有储能电容，当外部输入变化时，在电容器上检测270V电压会存在电压缓慢变化而不能线性反应输入电压的瞬变，监测失去意义，所以输入供电电源采样点设计到外部输入前端，这样可以快速地监测到外部电源故障，当外部电压出现过高或过低时，PSM模块将发出告警信号，通知其他LＲM模块保存现场，然后在系统控制器的控制下按照预定配置进行供电管理。输出供电电源监测主要是监测流过各LＲM模块的电流，根据电流大小产生电压模拟信号，提供给智能管理组件进行模拟量监测，以监控每个LＲM的工作状态。当出现监测结果超出设定阈值范围时，判断LＲM模块是否出现用电故障，采取关闭或重启等措施进行保护。电源模块温度监测功能是对电源模块内部工作温度进行监控，电源模块内部设计有温度传感器，智能管理组件周期性地采集模块内部温度，使用温度来对电源模块工作异常情况进行预判，结合电源模块BIT检测，输入电源、输出电源工作情况等进行综合判断，以决定电源模块是否工作正常。

2．2电源管理系统

综合模块化航电处理平台中有2块PSM，PSM采用1+1并联余度工作方式给每个LＲM独立供电。PSM采用智能电源设计，接收系统控制器控制命令完成电源管理功能，电源管理系统设计如图3所示，工作原理如下:1)综合模块化航电处理平台设计有2块系统控制器模块，在同一时刻只能有1块系统控制器可以成为主控制器;当模块为主控制器时，该模块控制接口的发送功能，可对外发送电源控制命令;当模块为非主控制器时，禁止模块控制接口的发送功能，仅能接收PSM返回的状态信息。2)2块PSM模块同时接收系统控制器发送的电源管理命令。3)PSM根据系统控制器的指令进行应答或执行相应的控制操作。图3电源管理系统互联框图PSM模块在完成硬件初始化及上电BIT后，周期性地运行电源管理程序，首先对电源模块工作信息进行采集，包括输入供电状态、各通道输出状态、内部工作温度等，之后查询通信接口接收到的电源管理命令，并执行相应的操作。

2．3电源工作模式

在初始上电时，每个PSM模块上都固化有初始电源输出配置表，PSM完成上电BIT后，根据该配置表输出相应28VDC通道。运行过程中如果需要改变系统的加电配置，由系统控制器通过控制总线接口向PSM发送命令消息，PSM根据命令关闭/打开相应28VDC输出。考虑到电源模块需支持多种系统工作模式，可设置多种开关配置表，如初始化模式配置表、正常工作模式配置表、应急工作模式配置表等。当系统工作模式发生变化时，不需要对每个模块进行单独控制，只需要按照对应工作模式切换到需要的开关配置表。这样的设计不仅易于管理，同时易于维护，并且可以直观的进行配置状态的检查和校验，避免错误发生［4］。开关配置表可在地面维护状态时，通过维护工具生成并固化到电源模块中。产品在运行过程中不可避免的会出现一些异常情况，这些异常情况可能不会被包含在预先定义的工作模式中，这时需要定义一些故障控制策略，当检测到故障发生后，进入相应的故障处理程序进行处理。例如当发生电源模块超温故障，此时应将超温信息上报系统控制器，由系统控制器根据当前工作模式、执行任务状态及重要程度等决定是否进行关闭操作或维持现状等操作;当检测到某模块供电出现过流现象时，电源模块应主动关闭该路供电开关，并将故障信息及处理措施上报系统控制器。

3结束语

本文通过某综合模块化航电处理平台供电方案设计，介绍了一种机载电子设备双余度智能供电方案。整个系统的供电从余度供电输入、余度供电转换、余度供电输出及余度用电接口等几个方面进行了余度设计，电源智能管理通过指定工作模式下的配置表切换及异常故障模式下的故障处理来进行系统重构、故障监控、故障隔离，目前已在机上进行了充分验证，能够大幅度提高整个系统用电的可靠性、安全性及可用性，可为机载电子产品供电方案选取和设计提供较大的工程实用价值。

参考文献:

［1］李波，尚雅慧，孟文杰，等．某型直升机电传飞控系统多余度供电方案设计研究［J］．直升机技术，2016(1):37－44．

［2］孟颖悟．新型机载计算机电源架构的研究［J］．航空计算技术，2007，37(5):63－65．

［3］俞大磊，周勇，董凯．综合化核心处理平台智能电源管理技术［J］．信息通信，2017(4):291－292．

［4］千鸿哲，董凯，韩春阳．机载智能电源管理系统软件设计与实现［J］．信息通信，2016(3):119－120.

作者：何立军 马小博 张利洲 单位：航空工业西安航空计算技术研究所