電源切換對系統工作影響分析與解決方案

郭玲紅，彭 洋

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

為提高系統工作可靠性，尤其是系統供電的可靠性，經常需要提供兩路穩定可靠性的工作電源，在一路電源出現故障時可以迅速切換到備路電源[1]。在一個由開關電源組合、數字模擬混合電路系統、中頻信號組成的接收系統中，當電源切換繼電器實現主路到備路的切換時，系統工作電流比正常情況大，而且數據混亂。為此對故障產生原因進行了分析，并提出優化改進方案。

1 電路工作框圖及故障現象

圖1所示為一個電源切換的原理框圖，其中主路模塊和備路模塊分別為兩路相同的開關電源模塊，電源通斷開關J1是28 V輸入電的開關，用于實現對一次電源的供斷電；電源切換開關J2是主路和備路選擇開關，用于根據系統指令實現從主路模塊到備路模塊的切換，以及從備路模塊到主路模塊的切換；電源隔離開關J3用于實現對主路和備路電源模塊之間的隔離，其選擇邏輯與J2保持一致；開關J1和J2選用2JB15-1磁保持繼電器，開關J3選用4JB5-2磁保持繼電器。

電源控制指令包括：一次電源加電指令、一次電源斷電指令與二次電源輸出主路到備路切換指令，由于系統指令有限，一次電源加電指令和備路到主路切換指令共用一個指令線。

工作過程：

1）當一次電源加電指令到來后，繼電器J1將28 V一次電源接通，此時，28 V動作電壓也加在繼電器J2與J3上。此時，若J2與J3接通的是備路，則J2與J3將會動作，把主路接通；若接通的就是主路，則兩繼電器不動作。

圖1 電源切換原理框圖Fig．1 principle diagram of power switch

2）當二次電源主到備切換指令到來后，備路DC/DC模塊有輸入28 V，其輸出通過J3供給分機；

3）當一次電源斷電指令到來時，J1將28 V斷開，電路沒有輸出；

在系統調試中發現，當發送二次電源備路到主路切換指令時，電流比正常情況大，信號處理性能喪失。

2 工作原理分析

系統通過OC門控制電路發送各個控制指令，由繼電器相應控制指令，并電源模塊實現功能切換，下面對控制指令發送電路、電源切換電路以及繼電器工作電路分別進行分析[2]。

1）控制指令電路圖 如圖2所示為控制指令電路OC門控制電路的原理圖，A與B端為輸入端，當需要發送控制指令時，在任一輸入端輸入一正脈沖信號，通過OC門，到達圖中“OUT”端時，變為一負脈沖，在負脈沖時間內，“OUT”是與大地接通的，所以此時OC門等效為接地[3]。

2）繼電器工作原理 磁保持繼電器[4]用于實現對電路的接通與斷開，其工作原理是：磁保持繼電器內部包含兩個線圈，輸入1和輸入2分別連接兩個輸入信號，指令1和指令2端口分別連接兩個控制指令線，當指令1端口收到控制指令時，接收電流流過內部的線圈1，使得線圈1產生磁場，對應的簧片吸合，接通輸入1對應的信號，只要指令2未接收到控制指令，線圈2上就不通過電流，也就不產生磁場，則簧片保持在該狀態不動，輸出口始終連接在輸入1上，直至指令2接收到控制指令后，線圈2上通過電流，并產生磁場，簧片切換到對應的2口，輸出口連接輸入2的信號。

圖2 控制指令電路Fig.2 Control circuit

圖3 繼電器原理圖Fig.3 Schematic diagram of relay

3）電源切換電路原理圖如圖4所示。

如圖所示，J1是28 V輸入電的開關，J2是主路和備路選擇開關。J3輸入端為主路和備路輸出電，J3輸出為主路或者備路，其選擇邏輯與J2保持一致。

圖4 電源切換原理圖Fig.4 Schematic diagram of switching power supply

電源切換開關J2和電源隔離開關J3中“1”對應主路電源模塊，“2”對應備路電源模塊，“3”為輸出端，當指令1接收到OC門輸出脈沖時，如圖2中右圖所示，線圈一端為28 V，一端通過OC門接地，線圈兩端有28 V的壓降，線圈中有電流，產生的磁場將簧片吸合。此時，若在指令1處的OC門再接通，因為簧片已經吸合在“1”端，繼電器不動作，只有在“2”端的OC門接通時，繼電器才會將“2”與“3”接通。

圖5 繼電器工作等效原理圖Fig.5 Schematic diagram of relay equivalent

3 故障機理

通過對切換電路分析，考慮在發送二次電源備路到主路切換指令時，繼電器J2和J3同時切換，輸出電源電壓會出現短暫掉電后加電的情況，也就是說當二次電源從備路切換到主路時，備路電源模塊首先正常輸出，很快又切換至主路電源模塊輸出，這樣可能導致系統中某些器件尤其是FPGA、DSP等可能會出現軟件加載不正常的情況，從而導致系統工作異常[5]。

為了弄清在二次電源備路到主路切換時，是什么原因導致系統工作異常，對二次電源備路到主路切換時的電源輸出電壓波形進行了監視。通過示波器觸發功能，顯示了電源由主路到備路切換以及備路到主路切換時電源電壓波形，如下圖所示：

圖6 主路到備路切換波形圖Fig.6 Switching waveforms（main to preparation）

圖7 備路到主路切換波形圖Fig.7 Switchingwaveforms（preparation tomain）

從上圖可以看出主路到備路切換時掉電幅度小，但由于在負載端電源輸入口有濾波電容的存在，使得掉電過程延長，對系統影響比較小；而從備路到主路切換時掉電幅度大，對于系統而言，相當于快速斷電后加電[6]。

為了排除二次電源其他部分對加電瞬間電壓波形的影響，用DC/DC模塊和繼電器按照電源實際情況搭建了切換電路，用示波器監視瞬時加載電壓的波形，如圖8、9所示。

圖8 主到備路切換電壓波形Fig.8 Voltage waveform（main to preparation）

圖9 備到主路切換電壓波形Fig.9 Voltagewaveform（preparation tomain）

從上圖可以看出，若負載端電源輸入沒有濾波電容，電路切換時，掉電幅度可以達到5 V，而且由主路切到備路和由備路切回主路時間常數不同（表明繼電器內部并不對稱）。

單獨對兩種繼電器切換的時間進行測試，圖10、11為4JB5-2與2JB15-1兩種繼電器的連接方式：

圖10 2JB15-1連接方式Fig.10 2JB15-1connectionmode

圖11 4JB5-2連接方式Fig.11 4JB5-2connectionmode

其波形圖如圖12、13所示。

圖12 2JB15-1主到備切換圖Fig.12 2JB15-1 switch graph（main to preparation）

圖13 2JB15-1備到主切換圖Fig.13 2JB15-1 switch graph（preparation tomain）

兩種繼電器連接后，發現掉電時間增加了，連接方式如圖16所示。這種連接方式下，電壓波形圖如圖17、18所示。

圖14 4JB5-2主到備切換圖Fig．14 4JB5-2 switch graph（main to preparation）

圖15 4JB5-2備到主切換圖Fig．15 4JB5-2 switch graph（preparation tomain）

圖16 繼電器連接方式圖Fig．16 Relay connection diagram

圖17 主到備切換圖Fig．17 Switch graph（main to preparation）

圖18 備到主切換圖Fig．18 Switch graph（preparation tomain）

時間增加的原因：J2的線圈電阻為320Ω，J3的線圈電阻為560Ω，前者線圈電流較大，產生的磁場較強，動作時間就比后者短，當指令到來時，J2先切換，J3上已經沒有輸出，只有J3切換后，J3上才有輸出，最后導致切換時間增加。具體過程如圖19所示。

圖19 繼電器切換時序圖Fig．19 Relay switching timing diagram

4 解決方式

在系統加電端加電容：添加電容可以減小電源切換時掉電幅度，所以考慮采取在輸出端接入電容的方式解決問題。在二次電源輸出端各并入3個47μF的電容，并入電容后波形圖如圖20、21所示。

圖20 主到備路切換電壓波形Fig．20 Switchingwaveforms（main to preparation）

圖21 備到主路切換電壓波形Fig．21 Switchingwaveforms（preparation tomain）

經過試驗，系統在由備路切換至主路時可以實現電源穩定切換，組件工作狀態正常，解決了存在的問題。

5 結 論

文中分析可以看到，繼電器串聯使用時需要考慮到線圈電阻的不同，為了保證切換的正常進行，需要對輸出電源端或者是系統工作電源端并聯濾波電容，減小掉電時對系統工作的影響，保證切換時不影響系統的正常工作。

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