某型訓練指揮臺電源系統的優化設計

唐小貝

（海軍軍訓器材研究所，北京102308）

某型訓練指揮臺電源系統的優化設計

唐小貝

（海軍軍訓器材研究所，北京102308）

電源系統是為某型訓練指揮臺內部各設備提供能源支持的基礎單元。通過對電源系統的組成結構和功能的系統分析，針對電源系統存在的3個方面不足，包括：啟動沖擊電流過大、電源開關存安全隱患以及風扇組交流負載消耗不合理，提出相應的優化措施，即：應用軟啟動電源降低啟動沖擊電流、利用低壓控制高壓提高安全性、使用直流風扇替換交流風扇降低交流負載消耗。實際應用表明，在采用上述優化措施后系統的可靠性和安全性均得到了明顯提高，達到了優化的目的。

電源系統；沖擊電流；開關電源

電源系統是所有電子設備能夠正常工作的基礎，在系統設計時也是往往容易被設計者所忽視的一個部分。一個合理、穩定的電源系統可以大大減少系統故障的發生率［1-3］。某型訓練指揮臺是某型號導彈地面指揮系統模擬訓練系統的核心設備，是對系統中其它設備的調度和信息管理中心。當初設計時，其電源系統從性能和功能上滿足了設計要求，但從多年來使用和維護的情況來看，在安全性和可靠性方面，還需要對其電源系統進行進一步的優化改進。

1　電源系統的組成

某型訓練指揮臺的電源系統包括DC-AC大功率轉換電源模塊、交流排氣風扇組、工控機和2個液晶顯示器，其組成框圖如圖1所示。

圖1　電源系統組成框圖Fig.1 Diagram of power system structure

該訓練指揮臺的電源系統是一個交直流混合系統，其輸入電源為+27 V直流電源，波紋不大于10%，由室內穩壓整流電源或野外機動電源車提供。

經過DC-AC大功率電源轉換模塊轉換，輸出3路 220 V、50Hz、功率為560 W的交流電源，具有過流、過壓和過熱保護等功能。分別給交流排氣風扇組、工控機和2臺液晶顯示器供電。

交流風扇組由4個220 V交流排氣風扇組成，對整個機柜的內部空間進行通風，形成上下空氣對流，對設備進行降溫，達到風冷效果。

工控機內的開關電源為工控機內的底版、主板和插卡提供+5 V、+12 V、-12 V、+3.3 V、+5 VSB等5組直流電源。

電源系統的加電過程為：

1）系統加電后，DC-AC電源轉換模塊立即工作，輸出3路220 V交流電源；

2）第1路220 V交流電源輸出到由4個交流風扇組成的風扇組，風扇組立即運轉，開始通風降溫；

3）第2路220 V交流電源為2個液晶顯示器供電，顯示器正常工作，等待CRT信號輸入；

4）第3路220 V交流電源輸出到工控機，當按下“鍵盤柜”上的電源“按鍵開關”后，工控機才加電，經過初始化等過程后進入正常工作狀態，加電過程結束。

電源系統的斷電過程為：

1）先將工控機進行軟件關機，退出操作系統；

2）按“鍵盤柜”上的電源“按鍵開關”，使其彈起，對工控機斷電；

3）再斷掉系統的+27 V直流供電，DC-AC大功率電源轉換模塊停止工作，220 V交流電源停止供電，顯示器停止工作，風扇停止工作，斷電過程結束。

2　電源系統的分析與優化

2.1電源系統分析

某型訓練指揮臺的電源系統已經成功應用于部隊，具有系統結構簡單、維護方便等優點，但在實際使用、維護過程中，發現電源系統仍存在啟動沖擊電流大、電源開關位置不合理，以及風扇組交流供電負擔大等方面的不足，需要進行改進。

1）啟動沖擊電流大。通過加入適當的電流/電壓轉換電路，并使用示波器現場測量發現［4-5］，如圖2所示。系統啟動時的沖擊電流最大值約為23 A，而設計的DC-AC大功率電源轉換模塊的額定電流為2.55 A，相比模塊額定功率，要求的最大輸出電流的余量大為增大，導致設計難度加大。解決方法是要么增大輸出功率，就增加了成本；要么提高限流門限，就會降低電源轉換模塊的使用安全和壽命［6-9］。系統設計時采用了2種解決方案相互配合設計，暫時滿足了系統使用要求，但并沒有從根本解決問題，只是提高了DC-AC的輸出容量，比使用普通PC機啟動時（約10 A）大13 A左右。

圖2　啟動時沖擊電流測量Fig.2 Measurement of the starting impact current

2）電源開關位置不合理。工控機的電源開關位置與工控機不在一個機柜中，其交流電源線的連線圖如圖3所示，電源開關是通過將原來的開關上的電源線轉接過來實現的。220 V交流電源由“按鍵開關”直接控制，從工控機內部經過“轉接插座”到鍵盤柜上的“按鍵開關”，按下時交流的N、L線分別接通，再經過“轉接插座”回到工控機內，最后到開關電源，給工控機供電。當按鍵開關彈起時，工控機就斷電。這樣的好處是保證了工控機的整體性，但因220 V高壓連線過長，存在一定的安全隱患，且會在工控機箱內對系統內的其他部件產生一定的電磁干擾。

圖3　工控機交流電源連接圖Fig.3 Diagram ofAC power connection circuit

3）風扇組交流負荷大。按每個風扇額定電流為0.1 A計算，4個就是0.4 A交流電流的消耗。風扇組的作用是機柜內部散熱，系統一啟動就一直工作，直到系統斷電，而且風扇的抗噪、抗干擾能力也很強，沒有必要放在DC-AC之后，只會增加電源轉換模塊的負擔。

2.2電源系統優化

針對電源系統中存在的3方面問題，采用相對應的方法進行優化，包括沖擊電流優化、開關電源優化和風扇組優化。

1）沖擊電流優化。電源系統啟動時沖擊電流較大的原因是其內部的多個芯片器件需同時加電，以及開關電源的啟動電容需充電等因素共同造成的［10-15］。在使用市電時，由于市電本身的輸出電容大，且輸出最大電流的能力也很大，所以啟動沖擊電流（約23 A）對其影響較小；但大功率DC-AC電源轉換模塊的輸出電容較小，一般為幾千μF到幾十mF，且最大輸出電流的能力也是有限的，一般幾百瓦功率輸出時其最大輸出電流約為10～20 A，難以承受高達約23 A的沖擊電流的多次沖擊（實際穩定工作電流只為0.9 A），所以減少輸出電流是解決問題的關鍵。減小對大功率DC-AC電源轉換模塊沖擊電流的途徑有2種：一是從產生源方面著手，減小后級沖擊電流的產生，改變其供電方式和上電順序，以減少其沖擊電流；二是從傳輸途徑方面著手，在大功率DC-AC電源轉換模塊與后級之間進行隔離或緩沖，如加入UPS穩壓電源或者并聯一定容量的電容。

傳輸途徑方面在大功率DC-AC電源轉換模塊的220 V交流輸出端并聯一個耐壓400 V、輸出電流14.3 A的工頻交流電容。增加了電源的瞬間輸出能力，減少了工控機開機時對前級電源的沖擊，起到能量存儲、開機緩沖和改善內部電網質量的作用。

2）開關電源優化。工控機原來采用的是普通開關電源，開機時的沖擊電流較大且能源轉換率較低，可以更換為更為綠色節能的ATX開關電源［16-17］。若選用ATX開關電源，工控機的開、關機控制方式將得到改變，從而減少220 V交流電源線在機內的環繞以及與人體發生接觸的可能性。同時，工控機的啟動也由原來的硬啟動改為軟啟動（也稱慢啟動），起到了保護大功率DC-AC轉換模塊和電源變換器的作用。其原理為，在開關電源內部，當開關電源的控制芯片上電時，反饋為零（或者小于期望值，例如在一個不隔離的反激電路中），變換器的占空比達到最大值。為了給輸出電容充電，變換器會從輸入抽取很大的電流，這個大電流流過功率器件可能會導致器件損壞，所以應該將變換器的最大占空比限制在一個閾值內，這個閾值需要隨著時間的增加而線性增大（可以通過對電容的充電過程進行控制。當電容充滿的時候，占空比也就達到了它調節輸出電壓所需要的穩定值）［18-20］，因而采用ATX電源的軟啟動就可以有效地保護本級開關電源的變換器和前級輸入電源即大功率DC-AC電源轉換模塊。

3）風扇組優化。通過對電源系統分析可知，為減少逆變電源的工作電流，將原來的220 V交流風扇組更換為27 V直流風扇組，在輸入直流未進入DC-AC電源轉換模塊前，直接由輸入直流電源供電。這既減輕了電源轉換模塊電源輸出的負擔，又保證了機柜內降溫功能的實現。

3　電源系統優化改進后的效果

通過對電源系統的分析與優化，對電源系統進行了改進，改進后電源系統的組成框圖如圖4所示。

圖4　改進后電源系統的組成框圖Fig.4 Structure of the optimized power system

工控機采用ATX開關電源后，220 V交流直接從后面板的電源插座輸入到開關電源內。連接方式由原來的交流電源2進1出變成單一進入工控機箱，減少了對機內部件的電磁干擾。

同時，開機加電控制采用軟啟動，由能自彈起的“按鍵開關”控制PS-ON信號與地的觸發即可實現，減少了接觸220 V交流電的可能，提高了設備用電的安全性。

采用直流風扇組和ATX電源后，對DC-AC電源模塊的啟動沖擊電流也得到了降低，如圖5所示，與給普通PC機供電時的啟動沖擊電流相差無幾，約為11 A。所以可以進一步降低前級DC-AC電源轉換模塊的輸出功率和最大輸出電流，降低了系統成本，增加了模塊的安全使用壽命。

圖5　優化后啟動時沖擊電流測量Fig.5 Measurement of the starting impact current after optimization

4　結語

經過優化后的電源系統，總體能量消耗進一步降低，啟動時對大功率DC-AC電源轉換模塊的沖擊電流明顯減少，使系統的可靠性能進一步得到加強。同時，工控機的電源開關采用接觸開關后，由低壓控制高壓電源，使高壓交流電源只流向電源模塊，減少了與外部接觸的機會，提高了操作的安全性。實際應用表明，已經達到了優化的目的，同時對其他多電源系統中的電源設計具有一定的借鑒作用。

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Optimized Design of Power Supply System of a Certain Training Command Console

TANG Xiaobei
（Naval Training Equipment Institute，Beijing 102308，China）

The power supply system is the basic unit of a certain training command console to provide energy support. Based on the analysis of the structure and function of the power supply system，the 3 existing problems of power system were analyzed such as starting impact current was too large，power switch existed potential danger and AC load consumption of fan group was not reasonable.Then some optimization method was put forward，such as using soft start power supply to reduce the startup surge current，using low voltage control high voltage to improve safety，and substituting DC fan for AC fan to reduce AC load consumption.The application results showed that the reliability and security of the power supply system was obviously improved with such optimization.

power supply system；impact current；switching power supply

TJ765.4

A

1673-1522（2016）04-0480-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.04.013

2016-04-08；

2016-05-31

國家部委科技基金資助項目（ZB200744）

唐小貝（1975-），男，工程師，碩士。