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一种高可靠性、高密度的冗余电源设计及实现
引言
随着船舶电气化的发展，对电源系统的要求越来越高，本文设计了一种高可靠性冗余电源，该电源系统主要完成对输入电源的电源滤波、电气隔离及电压转换，为负载设备提供工作所需的电源。该系统具有AC220 V、DC220 V及DC24 V电源输入接口，当输入电源失电时，能够自动启动备用电池供电至少2 h。电源管理及转换模块系统可实现电源输入不断电切换，保证设备供电的连续性，可监测电源装置输入输出端故障，并附带两路CAN 通讯接口，可与其他监控设备通讯。该电源装置具有智能化、安全可靠的优点。
1 冗余电源系统整体框架设计
电源系统由蓄电池、电源模块、控制模块构成。系统框图如图1所示。
电源系统通过电源模块完成主用电(AC220V，DC175～320 V)和备用电(DC24 V)的电源转换，电源系统可实现电源输入不断电切换，保证设备供电的连续性。为保证控制模块的不断电工作，控制模块从电源模块输出端取电。控制模块可对设备状态进行实时监控，监控电源系统中的故障信息，并将相关信息通过CAN 总线传输给船舶的监控系统，同时船舶的监控系统也可以通过CAN 总线向控制模块发送关机指令，切断系统的工作。
2 电源系统的电路设计
2．1电源模块的设计
系统要求电源转换模块的输入范围广，形式多样，输出电压精度高，噪声低。根据需求可选择板型电源模块或砖型电源模块。板型电源模块技术成熟、选择多样、价格便宜，但体积较大。砖型电源模块功率较小、价格高昂，但体积远小于板型电源模块。为满足系统性能指标及小型化的技术要求，选用砖型电源模块。
电源模块采用国外知名品牌VICOR 公司的电源模块，VICOR公司电源模块支持输入电压包括185～264 VAC、175～375 VDC、24 VDC，输出电压为24 V DC。VICOR公司电源模块工作温度范围宽，输入电压范围宽，输出电压纹波小、精度高、噪声低，具备短路、过压、过载、过温保护功能，可靠性高，安全性好。
如图2所示，整流单元采用整流模块FARM，与后端的DC．DC 转换器配套可组成自动调节整流、高密度、薄身的电源系统。后端的DC．DC转换器采用VICOR公司的Maxi转换器模块，该系列DC—DC转换器输入范围宽、效率在85％以上、功率密度高达120 W／in3。。、3000 V电气隔离，具备输入欠压封锁、输出过压保护、过流保护等功能。
BatMod 电池充电器模块是以VICOR DC—DC转换器为基础的可编程电流源模块。它的输入电压有48 VDC，150 VDC和300 VDC三种选择，在本系统中选用输入电压为300 VDC的型号，该模块提供可编程的输出电流及可调的输出电压，可以根据电池的不同来进行编程输出，适用于大部份的电池种类，满足本系统的需要。
在系统图中，AC和DC175～320 V输入构建300 V母线系统，300 V母线通过300 V／24 V电源模块转换成所需的24 v 电源，同时通过300V／24 V 电池充电器模块给24 v 电池组充电，DC24 V输入和24 V电池分别使用24 V／24 V电源模块转换成所需的24 V电源。
在AC和DC同时输入的情况下，优选AC供电；AC断电情况下，切换到DC(175—320)V供电，当前面两种电源都失效的情况下，切换到DC24V供电；AC与DC同时断电的情况下，切换至备用电池供电。
电源单元输入端有AC或DC输入后，电源转换模块在实现其正常转换，对后端用电设备正常供电的同时， 同时对蓄电池组进行充电，保证蓄电池组处于满充状态。蓄电池组充电至满的时间不超过6 h。
2．2控制模块的设计
控制单元使用ARM微控制器作为主控制器，ARM微控制器具有功耗小，高性能的特性。在本系统中采用基于Cortex—M3架构的STM32F10微处理器，该处理器拥有以下特性：
● 工作速度快：最高72 MHz工作频率；最大512 K字节的闪存；高达64 K的SRAM；
● 拥有众多外设：最多3个12位模数转换器1μs转换时间(多达21个输入通道)；2通道12位DA转换器； 多达11个定时器；
● 通信端口多：2个I2C接口，5个USART接口(可拓展为RS232／485／422)，3个SPI接口，2个CAN接口(2．0b)。
● 低功耗， 高性能， 工作温度范围为一40℃ ～+105℃ 。
控制模块主要完成以下功能：
1)通讯功能。通讯采用CAN协议，波特率125 kbps，支持CAN2．0b规范，兼容CAN2．0a规范。采用光电隔离，隔离电压大于2500 V．
由于选用的STM32F105系统微控制器自带2个CAN接口(支持2．0b协议)，只需要使用最基本的CAN收发芯片TJA1040搭建最基本的电路，在电路设计中，为保证CAN 通信的稳定性， 采用开关电源进行CAN通信电源的电气隔离。
2)关机功能。如图1所示，当控制模块接收到船舶监控系统发送的关机指令，控制模块可控制相应继电器和模块使能端断开，切断外部供电，实现关机操作。同时当蓄电池供电超过2 h之后，控制系统发送相关信息至船舶监控系统， 由船舶监控系统判断是否切断供电。
3)监测电源转换模块故障状态。具备自身故障监测能力，包括电源输入故障、电源转换故障、蓄电池充放电状态等， 并实时将状态信息通过CAN接口发送到主机单元。
控制模块完成对电源输入端的监测， 同时监测VICOR的DC．DC转换模块，控制模块可监测输入电压，当以上任何参数超出其指定的操作范围时，模块会关闭以完成对VICOR模块的保护。控制模块通过监测VICOR 电源模块，将故障信息通过CAN 通讯发送给船舶监控系统。同时控制模块通过监测BatMod充电器判断电池是否处于充电状态。
4)具备供电状态指示， 白检状态报警功能。
如图4所示，具备供电状态指示，分别为220V AC供电正常，175～320 V DC供电正常，24 VDC 供电正常，电池供电正常，输出正常。控制系统的状态指示可根据需要进行扩展。
2.3 蓄电池的选取
蓄电池选用中船重工712所6FM系列阀控制密封铅酸电池，该产品具有以下特点：
1）密封结构：6FM系列阀控制密封铅酸电池具有独特的结构并采用了先进的密封技术，确保电解液不会溢出，不漏酸、无酸雾，不污染环境。
2）良好的放电性能：内阻非常小，大电流放电性能强。
3）自放电小：采用高纯度的原材料添加剂，使电池在储存或不使用时的自放电功率大大降低，25℃下，28天内自放电率小于2.4%。
4）免维护：具有良好的氧循环复合能力，充电时所产生的氧气几乎被完全吸收，使用时不需要测量电解液的季度。
5）电池寿命长：采用特殊的合金板栅，坚固耐用的阻燃ABS树脂，高纯度的超细玻璃纤维隔板，精密开启的安全阀，先进的工艺设计使电池具有很长的使用寿命和耐用性。
6）结构紧凑，抗震性能好，安装方便，可才用屏、架式安装，减少占地面积。且对安装场地要求较小。
7）电池使用温度范围广，可在温度-20℃~+60℃的工作场所工作，贮存温度可到-40℃~+70℃。
3 电源系统的结构设计
机箱采用密封式结构，电源模块在工作时发热量较大，对于VICOR电源模块来讲简化散热管理是使用VICOR电源模块的优点之一。电源模块的操作效率高，兼之薄身的封装，减少了热损耗。适当的散热管理能够有效改善电源转换模块和系统的平均故障间（MTBF）、缩小体积和降低产品使用周期成本。
紫铜具有优良的导热性、延展性，为了尽量加大散热量，电源转换模块壳体选用紫铜材料。这是因为同时在结构设计中，考虑到模块的散热性，电源转换效率的壳体与箱体的接触面积尽可能大，并且两者接触面图上导热硅脂。见结构图5所示。
电池可以与箱体紧密接触，因此把电池放在这个箱体底面上，上面用一个4mm厚度的钢板焊接的框架对电池进行固定。然后在框架和铜板上打孔安装在电池安装架上。而为了保证电源模块的加固性，将电源模块固定在电池框架和底板上。电源模块紧贴在紫铜板上，同时另一面紫铜板紧贴在箱体底面，保证模块的散热性。
4 结束语
本文设计了一种基于VICOR模块的高密度、高可靠性的冗余电源。同时采用ARM Cortex-M3 内核的STM32 系列微控制处理器作为控制模块核心，完成对电源模块的监控并将相应的状态信息通过CAN通讯的方式传输至其他设备，在船舶上非常广泛的应用，具有高密度、安全可靠、智能化等特点。
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