一種高可靠性、高密度的冗余電源設計及實現

張澤宇，孟得東，馬繼坤，葛啟幀

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071）

一種高可靠性、高密度的冗余電源設計及實現

張澤宇1，孟得東1，馬繼坤2，葛啟幀1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071）

介紹了一種高可靠性、高密度的冗余電源系統的設計。采用VICOR公司的高密度、高可靠性磚型電源模塊完成冗余電源系統的設計，可將船舶上AC220 V、DC220 V、DC24 V等不同類型輸入電源轉換成設備所需的24 V電源，同時可監測電源的實時狀態，具有高密度、高可靠性、智能化的特點。

冗余電源 VICOR STM32

0 引言

隨著船舶電氣化的發展，對電源系統的要求越來越高，本文設計了一種高可靠性冗余電源，該電源系統主要完成對輸入電源的電源濾波、電氣隔離及電壓轉換，為負載設備提供工作所需的電源。該系統具有AC220 V、DC220 V及DC24 V電源輸入接口，當輸入電源失電時，能夠自動啟動備用電池供電至少2 h。電源管理及轉換模塊系統可實現電源輸入不斷電切換，保證設備供電的連續性，可監測電源裝置輸入輸出端故障，并附帶兩路CAN通訊接口，可與其他監控設備通訊。該電源裝置具有智能化、安全可靠的優點。

1 冗余電源系統整體框架設計

電源系統由蓄電池、電源模塊、控制模塊構成。系統框圖如圖1所示。

電源系統通過電源模塊完成主用電（AC220 V，DC175～320 V）和備用電（DC24 V）的電源轉換，電源系統可實現電源輸入不斷電切換，保證設備供電的連續性。為保證控制模塊的不斷電工作，控制模塊從電源模塊輸出端取電。控制模塊可對設備狀態進行實時監控，監控電源系統中的故障信息，并將相關信息通過CAN總線傳輸給船舶的監控系統，同時船舶的監控系統也可以通過CAN總線向控制模塊發送關機指令，切斷系統的工作。

2 電源系統的電路設計

2.1 電源模塊的設計

系統要求電源轉換模塊的輸入范圍廣，形式多樣，輸出電壓精度高，噪聲低。根據需求可選擇板型電源模塊或磚型電源模塊。板型電源模塊技術成熟、選擇多樣、價格便宜，但體積較大。磚型電源模塊功率較小、價格高昂，但體積遠小于板型電源模塊。為滿足系統性能指標及小型化的技術要求，選用磚型電源模塊。

電源模塊采用國外知名品牌VICOR公司的電源模塊，VICOR公司電源模塊支持輸入電壓包括185～264 V AC、175～375 V DC、24 V DC，輸出電壓為24 V DC。VICOR公司電源模塊工作溫度范圍寬，輸入電壓范圍寬，輸出電壓紋波小、精度高、噪聲低，具備短路、過壓、過載、過溫保護功能，可靠性高，安全性好[1]。

如圖2所示，整流單元采用整流模塊FARM，與后端的DC-DC轉換器配套可組成自動調節整流、高密度、薄身的電源系統。后端的DC-DC轉換器采用VICOR公司的Maxi轉換器模塊，該系列DC-DC轉換器輸入范圍寬、效率在85%以上、功率密度高達120 W/in3、3000 V電氣隔離，具備輸入欠壓封鎖、輸出過壓保護、過流保護等功能[2]。

圖2 電源轉換模塊系統

BatMod電池充電器模塊是以VICOR公司DC-DC轉換器為基礎的可編程電流源模塊。它的輸入電壓有48 VDC, 150 VDC和300 VDC三種選擇，在本系統中選用輸入電壓為300 VDC的型號，該模塊提供可編程的輸出電流及可調的輸出電壓，可以根據電池的不同來進行編程輸出，適用于大部份的電池種類，滿足本系統的需要。

在系統圖中，AC和DC175～320 V輸入構建300 V母線系統，300 V母線通過300 V/24 V電源模塊轉換成所需的24 V電源，同時通過300 V/24 V電池充電器模塊給24 V電池組充電，DC24 V輸入和24 V電池分別使用24 V/24 V電源模塊轉換成所需的24 V電源。

在AC和DC同時輸入的情況下，優選AC供電；AC斷電情況下，切換到DC（175-320）V供電，當前面兩種電源都失效的情況下，切換到DC24 V供電；AC與DC同時斷電的情況下，切換至備用電池供電。

電源單元輸入端有AC或DC輸入后，電源轉換模塊在實現其正常轉換，對后端用電設備正常供電的同時，同時對蓄電池組進行充電，保證蓄電池組處于滿充狀態。蓄電池組充電至滿的時間不超過6 h。

2.2 控制模塊的設計

圖3 監測控制系統示意圖

控制單元使用ARM微控制器作為主控制器，ARM微控制器具有功耗小，高性能的特性。在本系統中采用基于Cortex-M3架構的STM32F105微處理器，該處理器擁有以下特性：

● 工作速度快：最高72 MHz工作頻率；最大512 K字節的閃存；高達64 K的SRAM[3]；

● 擁有眾多外設：最多3個12位模數轉換器，1 μs轉換時間（多達21個輸入通道）；2通道12位DA轉換器；多達11個定時器；

● 通信端口多：2個I2C接口，5個USART接口（可拓展為RS232/485/422），3個SPI接口，2個CAN接口（2.0b）。

● 低功耗，高性能，工作溫度范圍為-40℃～+105℃。

控制模塊主要完成以下功能：

1）通訊功能。通訊采用CAN協議，波特率125 kbps，支持CAN2.0b規范，兼容CAN2.0a規范。采用光電隔離，隔離電壓大于2500 V。

由于選用的STM32F105系統微控制器自帶2 個CAN接口（支持2.0b協議），只需要使用最基本的CAN收發芯片TJA1040搭建最基本的電路，在電路設計中，為保證CAN通信的穩定性，采用開關電源進行CAN通信電源的電氣隔離。

2）關機功能。如圖1所示，當控制模塊接收到船舶監控系統發送的關機指令，控制模塊可控制相應繼電器和模塊使能端斷開，切斷外部供電，實現關機操作。同時當蓄電池供電超過2 h之后，控制系統發送相關信息至船舶監控系統，由船舶監控系統判斷是否切斷供電。

3）監測電源轉換模塊故障狀態。具備自身故障監測能力，包括電源輸入故障、電源轉換故障、蓄電池充放電狀態等，并實時將狀態信息通過CAN接口發送到主機單元。

控制模塊完成對電源輸入端的監測，同時監測VICOR的DC-DC轉換模塊，控制模塊可監測輸入電壓，當以上任何參數超出其指定的操作范圍時，模塊會關閉以完成對VICOR模塊的保護。控制模塊通過監測VICOR電源模塊，將故障信息通過CAN通訊發送給船舶監控系統。同時控制模塊通過監測BatMod充電器判斷電池是否處于充電狀態。

4）具備供電狀態指示，自檢狀態報警功能。

如圖4所示，具備供電狀態指示，分別為220 V AC供電正常，175～320 V DC供電正常，24 VDC供電正常，電池供電正常，輸出正常。控制系統的狀態指示可根據需要進行擴展。

2.3 蓄電池的選取

蓄電池選用中船重工712所6FM系列閥控式密封鉛酸蓄電池，該產品具有以下特點：

圖4 供電狀態圖

1）密封結構：6FM系列閥控式密封鉛酸蓄電池具有獨特的結構并采用了先進的密封技術，確保電解液不會溢出，不漏酸、無酸霧，不污染環境。

2）良好的放電性能：內阻非常小，大電流放電性能強。

3）自放電小：采用高純度的原材料和添加劑，使電池在儲存或不使用時的自放電率大大降低，25℃下，28天內自放電率小于2.4%。

4）免維護：具有良好的氧循環復合能力，充電時所產生的氧氣幾乎被完全吸收，使用時不需要測量電解液的密度。

5）電池壽命長：采用特殊的合金板柵，堅固耐用的阻燃ABS樹脂，高純度的超細玻璃纖維隔板，精密開啟的安全閥，先進的工藝設計使電池具有很長的使用壽命和耐用性。

6）結構緊湊，抗震性能好，安裝方便，可采用屏、架式安裝，減少占地面積。且對安裝場地要求較小。

7）電池使用溫度范圍廣，可在溫度-20℃～+60℃的工作場所工作，貯存溫度可到-40℃～+70℃。

3 電源系統的結構設計

機箱采用密封式結構，電源模塊在工作時發熱量較大，對于VICOR電源模塊來講，簡化散熱管理是使用VICOR電源模塊的優點之一。電源模塊的操作效率高，兼之薄身的封裝，減小了熱損耗。適當的散熱管理能夠有效改善電源轉換模塊和系統的平均故障間隔時間（MTBF）、縮小體積和降低產品的使用周期成本。

紫銅具有優良的導熱性﹑延展性和耐蝕性，為了盡量加大散熱量，電源轉換模塊殼體選用紫銅材料。這是因為同時在結構設計中，考慮到模塊的散熱性，電源轉換模塊的殼體與箱體的接觸面積盡可能大，并在兩者接觸面涂上導熱硅脂。見結構圖5所示。

圖5 電源轉換模塊和電池示意圖

電池可以與箱體緊密接觸，因此把電池放在這個箱體底面上，上面用一個4 mm厚度的鋼板焊接的框架對電池進行固定。然后在框架和銅板上打孔安裝在電池安裝架上。而為了保證電源模塊的加固性，將電源模塊固定在電池框架和底板上。電源模塊緊貼在紫銅板上，同時另一面紫銅板緊貼在箱體底面，保證模塊的散熱性。

4 結束語

本文設計了一種基于VICOR模塊的高密度、高可靠性的冗余電源。同時采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32系列微控制處理器作為控制模塊核心，完成對電源模塊的監控并將相應的狀態信息通過CAN通訊的方式傳輸至其他設備，在船舶上有非常廣泛的應用，具有高密度、安全可靠、智能化等特點。

[1] Vicor Inc. 全型、小型、微型系列 DC-DC 轉換器及配件模塊設計指南和應用手冊, 2011, 09.

[2] Vicor Inc. Design Guide & Applications Manual For VI-200 and VI-J00 Family DC-DC Convertersand Configurable Power Supplies, 2013,12.

[3] 劉波文. ARM Cortex-M3應用開發實例詳解[M]. 北京∶電子工業出版社, 2011∶ 3～5.

Design and Implementation of a High-reliability, High-density Redundant Power Supply

Zhang Zeyu1, Meng Dedong1, Ma Jikun2, Ge Qizhen1
(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China; 2.Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China)

This article describes the design of a high-reliability, high-density redundant power systems. In this paper, VICOR's high-density, high-reliability power supply module is used for the design of brick redundant power system, which can convert different types of input power on the ship, such as AC220V, DC220V, DC24V, into the 24V power supply required, and the system is used to monitor the real-time status of the power system, with high density, high reliability, intelligent features.

redundant power; VICOR; STM32

TP274

A

1003-4862（2015）06-0022-04

2015-03-14

張澤宇（1989-），男，工程師。研究方向：船舶監控系統。