RU200640U1 - Модуль вторичного электропитания - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, представляет собой многоканальный стабилизированный преобразователь напряжения с гальванической развязкой между входом, корпусом и выходом, соответствующий стандарту VITA 62, и предназначена для электропитания высокопроизводительных систем VPX с потребляемой мощностью до 50 Вт и жесткими условиями эксплуатации и кондуктивным охлаждением, например, в авиастроении.Сущность полезной модели состоит в том, что в модуль вторичного электропитания, содержащий фильтр электромагнитных помех, изолирующий входной понижающий стабилизатор, выполненный в виде однотактного прямоходового преобразователя напряжения с активным демпфированием и синхронными выпрямителями на выходе, и ряд неизолированных выходных понижающих стабилизаторов, устройство защиты от перегрузок по току, датчик температуры, схему управления и контроля, связанную с выходными стабилизаторами, шинами служебных сигналов по стандарту VITA 62 и внешней шиной I2С, устройство бесперебойного питания на основе ионисторов (суперконденсаторов), генератор опорной частоты и схему светодиодной индикации, введены запитанный от дополнительного изолированного стабилизатора напряжения аналого-цифровой преобразователь, подключенный к шине входного питающего напряжения и связанный по внутренней информационной шине I2С через устройство гальванической развязки со схемой управления и контроля модуля.Технический результат полезной модели состоит в расширении ее функциональных возможностей за счет измерения и контроля величины входного питающего напряжения модуля.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, представляет собой многоканальный стабилизированный преобразователь напряжения с гальванической развязкой между входом, корпусом и выходом, соответствующий стандарту VITA 62, и предназначена для электропитания высокопроизводительных VPX-систем с потребляемой мощностью до 50 Вт и жесткими условиями эксплуатации и кондуктивным охлаждением, например, в авиастроении.

Соответствие стандарту VITA 62 подразумевает наличие свободно конфигурируемых выводов в типовом соединителе, расположенном в задней части модуля, выполнение функций контроля за энергопотреблением системы и уровнями напряжений на каждой шине питания с компенсацией потерь на основных линиях, а также защиты от перегрева, перегрузок по току и перенапряжений на выходах.

Известен модуль вторичного электропитания VPX 315 фирмы WIENER (см. http://www.wiener-d.com/sc/power-supplies/VPX-PS/VPX315.html), с кондуктивным охлаждением, выполненный в соответствии со спецификацией ANSI/VITA 62.0, который может дополняться устройством, обеспечивающим бесперебойное питание при кратковременных перерывах в бортовой сети, со встроенным микропроцессором для мониторинга и управления модулем через шину I²С.

К недостаткам указанного модуля относится низкая величина пикового входного напряжения (50 В в течение не более 15 секунд), а также необходимость в дополнительном оборудовании для обеспечения бесперебойного питания нагрузки.

Известен модуль вторичного электропитания 69-MS215342-RC фирмы ELMA (см. http://www.elma.com) с кондуктивным охлаждением, удовлетворяющий требованиям стандарта VITA 62.0.

Недостатками указанного модуля являются отсутствие развитых диагностических средств и невозможность обеспечить бесперебойное питание при кратковременных перерывах в бортовой сети.

Известен модуль вторичного электропитания D575.00701 фирмы HARTMANN ELECTRONIC с кондуктивным охлаждением (см. http://www.hartmann-electronic.com/products/power-supplies/vpx), соответствующий базовой спецификации VITA 62.0.

Недостатком указанного модуля является невозможность обеспечить бесперебойное питание при кратковременных перерывах в бортовой сети, а также низкое пиковое входное напряжение (36 В в течение 15 секунд).

Известен также модуль вторичного электропитания VPX-3U-DC28P-001 фирмы SynQor с кондуктивным охлаждением (см. www.synqor.com/VPX/index.html). удовлетворяющий требованиям стандарта VITA 62.0 с функцией диагностики по шине I²С в соответствии с протоколом стандарта VITA 46.11.

Указанный модуль содержит последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех, подключенный к шине входного питающего напряжения постоянного тока величиной (18-40) В и изолирующий стабилизатор с выходным напряжением +12 В, подключенный к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В aux, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +5 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, и к устройству защиты от перегрузки по току с выходным напряжением +12 В out. Известный модуль также содержит схему управления и контроля, подключенную по внутренней шине I²С к датчику температуры, запитанному дежурным напряжением +3,3 В aux с выхода соответствующего неизолированного стабилизатора, а также к шинам входных и выходных служебных сигналов по стандарту VITA 62 ENABLE, INHIBIT, FAIL и SYSRESET, к внешней шине I²С, к линиям выходных питающих напряжений +3,3 В aux, +3,3 В out, +5 В out и +12 В out, а также к входам команд отключения неизолированных понижающих стабилизаторов и устройства защиты от перегрузки по току.

К недостаткам указанного модуля относятся: низкая величина пикового входного напряжения (50 В в течение не более одной секунды), отсутствие встроенных средств обеспечения бесперебойного питания при кратковременных перерывах питания в бортовой сети и визуализации работы модуля, а также недостаточно низкая величина пульсации выходного напряжения по линиям питания +12 В и +5 В (80 мВ и 50 мВ соответственно).

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является модуль вторичного электропитания по патенту на полезную модель №188732.

Указанный модуль содержит последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех, подключенный к шине входного питающего напряжения постоянного тока, изолирующий понижающий стабилизатор с выходным напряжением +12 В, подключенный через устройство бесперебойного питания на основе ионисторов (суперконденсаторов) к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В aux, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +5 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, и к устройству защиты от перегрузки по току с выходным напряжением +12 В out, схему управления и контроля, подключенную по внутренней шине I²С к устройству бесперебойного питания и к датчику температуры, запитанному с выхода неизолированного стабилизатора напряжения +3,3 В aux, а также к шинам предусмотренных стандартом VITA 62 служебных сигналов ENABLE, INHIBIT, FAIL, SYSRESET, к внешней шине I²С, к линиям выходных питающих напряжений и к входу команды отключения неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux и входам команд отключения остальных неизолированных понижающих стабилизаторов и устройства защиты линии питания +12 В out от перегрузки по току, генератор опорной частоты, подключенный по питанию к выходу устройства бесперебойного питания, а по выходу к входам синхронизации всех неизолированных понижающих стабилизаторов, схему светодиодной индикации, подключенную по питанию к выходу неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux, а по сигнальным входам к выходам сигналов «РАБОТА» и «АВАРИЯ» схемы управления и контроля, изолирующий понижающий стабилизатор выполнен в виде однотактного прямоходового преобразователя с активным демпфированием и синхронными выпрямителями на выходе.

Недостатком указанного модуля является отсутствие в нем измерения и контроля величины входного питающего напряжения.

Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача устранения указанного недостатка известного устройства и создание модуля вторичного электропитания с выходной мощностью 50 Вт, с диапазоном входного питающего напряжения (18-80) В, обеспечением бесперебойного питания на полной мощности в течение не менее 200 мс, с величиной пульсации выходных напряжений, не превышающей 40 мВ для +3,3 В oux, +3,3 В aut, +5 В aut, и 50 мВ для +12 В out, со светодиодной индикацией состояний модуля «Работа» и «Авария», а также с возможностью измерения и контроля величины входного питающего напряжения модуля.

Поставленная задача решается тем, что предложен модуль вторичного электропитания, содержащий последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех, подключенный к шине входного питающего напряжения постоянного тока, изолирующий понижающий стабилизатор с выходным напряжением +12 В, подключенный через устройство бесперебойного питания на основе ионисторов (суперконденсаторов) к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В aux, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +5 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, и к устройству защиты от перегрузки по току с выходным напряжением +12 В out, схему управления и контроля, подключенную по внутренней шине I²С к устройству бесперебойного питания и к датчику температуры, запитанному с выхода неизолированного стабилизатора напряжения +3,3 В aux, а также к шинам предусмотренных стандартом VITA 62 служебных сигналов ENABLE, INHIBIT, FAIL, SYSRESET, к внешней шине I²С, к линиям выходных питающих напряжений и к входу команды отключения неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux и входам команд отключения остальных неизолированных понижающих стабилизаторов и устройства защиты линии питания +12 В out от перегрузки по току, генератор опорной частоты, подключенный по питанию к выходу устройства бесперебойного питания, а по выходу к входам синхронизации всех неизолированных понижающих стабилизаторов, схему светодиодной индикации, подключенную по питанию к выходу неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux, а по сигнальным входам к выходам сигналов «РАБОТА» и «АВАРИЯ» схемы управления и контроля, изолирующий понижающий стабилизатор выполнен в виде однотактного прямоходового преобразователя с активным демпфированием и синхронными выпрямителями на выходе.

Новым в предложенном устройстве является то, что оно содержит подключенные к шине входного питающего напряжения постоянного тока изолированный понижающий стабилизатор с выходным напряжением +3,3 В и аналого-цифровой преобразователь, соединенный по выходу изолированного интерфейса I²С с устройством гальванической развязки, выход которого подключен к внутренней шине I²С модуля, изолированный вход питания соединен с выходом изолированного понижающего стабилизатора +3,3 В и входом питания аналого-цифрового преобразователя, а неизолированный вход питания подключен к выходу неизолированного стабилизатора напряжения +3,3 V aux.

Технический результат заявленной полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения и контроля величины входного питающего напряжения модуля.

На фигуре представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.

Заявленное устройство содержит соединенные последовательно фильтр электромагнитных помех 1, подключенный к шине 2 входного питающего напряжения постоянного тока, изолирующий стабилизатор 3 с выходным напряжением +12 В и устройство бесперебойного питания 4 с четырьмя последовательно соединенными ионисторами 5, подключенное к неизолированному понижающему стабилизатору 6 с выходным напряжением +3,3 В aux по линии питания 7, к неизолированному понижающему стабилизатору 8 с выходным напряжением +3,3 В out по линии питания 9, к неизолированному понижающему стабилизатору 10 с выходным напряжением +5 В aut по линии питания 11, к устройству защиты от перегрузки по току 12 по линии питания 13 с выходным напряжением +12 В aut и к генератору опорной частоты 14, подключенному к входам синхронизации неизолированных понижающих стабилизаторов 6, 8 и 10. Заявленное устройство содержит также схему управления и контроля 15, подключенную к светодиодной схеме индикации 16 с помощью сигнальных линий 17 «Работа» и 18 «Авария», а также датчик температуры 19, подключенный по питанию к линии 7 +3,3 В aux, а по внутренней шине I²С 20 к схеме управления и контроля 15 и устройству бесперебойного питания 4. Схема управления и контроля 15 подключена к шинам входных служебных сигналов 21 ENABLE (включение) и 22 INHIBIT (запрет), в зависимости от комбинации которых на выходах 23 и 24 схемы управления и контроля 15 формируются команды отключения соответственно неизолированного понижающего стабилизатора 6 и неизолированных понижающих стабилизаторов 8, 10 и устройства защиты от перегрузки по току 12. Кроме того, схема управления и контроля 15 подключена к шинам выходных служебных сигналов 25 FAIL (отказ) и 26 SYSRESET (системный сброс) и внешней шине I²С 27, а также к цепям линий питания 7, 9, 11 и 13 для контроля токов и напряжений на этих линиях, а неизолированные понижающие стабилизаторы 8 и 10 подключены к соответствующим линиям 28 и 29 сигналов SENSE для обеспечения компенсации потерь по линиям питания 9 и 11. Заявленное устройство содержит также изолированный стабилизатор 30 напряжения +3,3 В, который по входу подключен к шине питания 2, а по выходу к входам питания аналого-цифрового преобразователя 31 и устройства гальванической развязки 32, подключенного по входу неизолированного питания к выходу неизолированного стабилизатора 6 +3,3 В aux. Аналого-цифровой преобразователь 31 подключен по входу измеряемого сигнала к шине 2 входного питающего напряжения, а по выходу интерфейса I²С через устройство гальванической развязки 32 к внутренней шине 20 I²С модуля.

Заявленное устройство работает следующим образом.

При подаче на вход модуля на шину 2 постоянного напряжения в диапазоне (18-80) В через рассчитанный на этот диапазон фильтр 1 включается обеспечивающий указанный диапазон изолированный понижающий преобразователь 3, посроенный по схеме однотактного прямоходового преобразователя с активным демпфированием и синхронными выпрямителями на выходе. С выхода преобразователя 3 напряжение величиной 12 В поступает на вход устройства бесперебойного питания 4, подключенное к батарее из четырех ионисторов 5, и далее на неизолированные понижающие стабилизаторы 6, 8 и 10, устройство защиты от перегрузки по току 12 и генератор опорной частоты 14. Устройство бесперебойного питания 4 плавно заряжает батарею ионисторов 5 до напряжения 9,2 В и далее осуществляет балансировку этой батареи, удерживая разность напряжений между ионисторами в пределах 10 мВ. С помощью схемы управления и контроля 15 производится непрерывный контроль выходных напряжений и токов в цепях питания 7, 9, 11 и 13, контроль измеряемого аналого-цифровым преобразователем 31 напряжения питания на шине 2 модуля и передача измеренных значений через устройство гальванической развязки 32 по внутреннему интерфейсу I²С в схему управления и контроля 15, контроль температуры, измеряемой датчиком температуры 19, а также диагностика устройства бесперебойного питания 4 по внутренней шине I²С 20. Контроль параметров ионисторов (емкость и внутреннее сопротивление) может производиться с периодичностью не чаще одного раза за 12 часов работы модуля. Информация о текущем состоянии модуля передается по внешней шине I²С 27. Устройство бесперебойного питания 4 следит за напряжением бортовой сети, и если происходит перерыв питания, переключается в режим преобразования энергии батареи ионисторов 5, поддерживая напряжение 12 В на входе выходных стабилизаторов 6, 8, 10 и устройства защиты от перегрузки по току 12, обеспечивая тем самым бесперебойное питание нагрузки в течение заданного времени. После восстановления нормальной работы устройство бесперебойного питания 4 переключается в режим заряда (подзаряда) батареи ионисторов 5. Генератор опорной частоты 14 вырабатывает синхросигнал для синхронизации работы выходных понижающих стабилизаторов 6, 8, 10, что приводит к уменьшению взаимного влияния их друг на друга и, как следствие, к снижению величины пульсации выходных напряжений. Светодиодная схема индикации 16 имеет два элемента индикации - зеленый светодиод «Работа» и красный светодиод «Авария», которые управляются соответствующими сигналами по линиям 17 и 18 с выходов схемы управления и контроля 15. В нормальном режиме работы, когда напряжение бортовой сети на шине 2 находится в пределах рабочего диапазона, светодиод «Работа» светится непрерывно. Во время перерыва питания бортовой сети или, когда напряжение бортовой сети питания на шине 2 находится вне рабочего диапазона, этот светодиод часто мигает. Если же в модуле обнаруживается неисправность, непрерывно светится светодиод «Авария». Реакция модуля на служебные входные сигналы ENABLE на шине 21 и INHIBIT на шине 22 модуля, а также формирование выходных сигналов FAIL на шине 25 и SYSRESET на шине 26 определяется схемой управления и контроля 15 и соответствует требованиям стандарта VITA 62. Так при низком уровне сигналов ENABLE и INHIBIT включен только выходной стабилизатор 6 с дежурным (вспомогательным) напряжением +3,3 В aux, при высоком уровне обоих сигналов все выходные стабилизаторы выключены, при низком уровне только одного сигнала ENABLE включены все выходные стабилизаторы, а при низком уровне только одного сигнала INHIBIT все выходные стабилизаторы отключены. Сигнал системного сброса по шине 26 SYSRESET формируется в том случае, если на любой из четырех линий питания 7, 9, 11 или 13 присутствует напряжение, величина которого меньше предельного значения (для +3,3 В aux 2,9 В; для +3,3 В aut 3,0 В; для +5 В aut 4,5 В и для +12 В aut 10,8 В). Время задержки сигнала SYSRESET равно 50 мс. Сигнал FAIL на шине 25 формируется при обнаружении отказов в модуле схемой управления и контроля 15.

Устройство бесперебойного питания может быть выполнено на микросхеме LTC 3350 и ионисторах ESHSR-0025CO-002R7. Для генерации синхросигнала в генераторе опорной частоты 14 может быть использована микросхема LTC 6906, значение частоты может быть задано в диапазоне 250-300 кГц. Схема управления и контроля 15 может быть выполнена с применением цифрового микроконтроллера MК22FX512AVLH12. Датчик температуры может быть реализован на микросхеме TMP100MDBVREP. Все выходные понижающие стабилизаторы 6, 8 и 10 имеют защиту от перегрузок по току, короткого замыкания, перенапряжений на выходе и могут быть выполнены на основе микросхемы LM 25117. Изолирующий стабилизатор 3 может быть выполнен с применением микросхемы UCC2897A, изолированный стабилизатор 30 - на микросхеме LT1531 CMS 8-3,3, аналого-цифровой преобразователь 31 - на микросхеме ADS 1115IRUG, устройство гальванической развязки - на микросхеме ISO 1540D.

Claims (1)

1. Модуль вторичного электропитания, содержащий последовательно соединенные фильтр электромагнитных помех, подключенный к шине входного питающего напряжения постоянного тока, изолирующий понижающий стабилизатор с выходным напряжением +12 В, подключенный через устройство бесперебойного питания на основе ионисторов (суперконденсаторов) к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В aux, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +3,3 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, к неизолированному понижающему стабилизатору с выходным напряжением +5 В out, соединенному по входу с соответствующей линией сигнала SENSE, и к устройству защиты от перегрузки по току с выходным напряжением +12 В out, схему управления и контроля, подключенную по внутренней шине I²С к устройству бесперебойного питания и к датчику температуры, запитанному с выхода неизолированного стабилизатора напряжения +3,3 В aux, а также к шинам предусмотренных стандартом VITA 62 служебных сигналов ENABLE, INHIBIT, FAIL, SYSRESET, к внешней шине I²С, к линиям выходных питающих напряжений и к входу команды отключения неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux и входам команд отключения остальных неизолированных понижающих стабилизаторов и устройства защиты линии питания +12 В out от перегрузки по току, генератор опорной частоты, подключенный по питанию к выходу устройства бесперебойного питания, а по выходу к входам синхронизации всех неизолированных понижающих стабилизаторов, схему светодиодной индикации, подключенную по питанию к выходу неизолированного понижающего стабилизатора +3,3 В aux, а по сигнальным входам к выходам сигналов «РАБОТА» и «АВАРИЯ» схемы управления и контроля, изолирующий понижающий стабилизатор выполнен в виде однотактного прямоходового преобразователя с активным демпфированием и синхронными выпрямителями на выходе, отличающийся тем, что модуль дополнительно содержит подключенные к шине входного питающего напряжения постоянного тока изолированный понижающий стабилизатор с выходным напряжением +3,3 В и аналого-цифровой преобразователь, соединенный по выходу изолированного интерфейса I²C с устройством гальванической развязки, выход которого подключен к внутренней шине I²С модуля, изолированный вход питания соединен с выходом изолированного понижающего стабилизатора +3,3 В и входом питания аналого-цифрового преобразователя, а неизолированный вход питания подключен к выходу неизолированного стабилизатора напряжения +3,3 V aux.

Images