一种高可靠性、高密度的冗余电源设计及实现

张泽宇，孟得东，马继坤，葛启帧

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071）

一种高可靠性、高密度的冗余电源设计及实现

张泽宇1，孟得东1，马继坤2，葛启帧1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071）

介绍了一种高可靠性、高密度的冗余电源系统的设计。采用VICOR公司的高密度、高可靠性砖型电源模块完成冗余电源系统的设计，可将船舶上AC220 V、DC220 V、DC24 V等不同类型输入电源转换成设备所需的24 V电源，同时可监测电源的实时状态，具有高密度、高可靠性、智能化的特点。

冗余电源 VICOR STM32

0 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（AC220 V，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 V AC、175～375 V DC、24 V DC，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[1]。

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[2]。

图2 电源转换模块系统

BatMod电池充电器模块是以VICOR公司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300 V/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DC24 V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

图3 监测控制系统示意图

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STM32F105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[3]；

● 拥有众多外设：最多3个12位模数转换器，1 μs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-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，自检状态报警功能。

如图4所示，具备供电状态指示，分别为220 V 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系列阀控式密封铅酸蓄电池，该产品具有以下特点：

图4 供电状态图

1）密封结构：6FM系列阀控式密封铅酸蓄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和添加剂，使电池在储存或不使用时的自放电率大大降低，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密度。

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，可采用屏、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，减小了热损耗。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隔时间（MTBF）、缩小体积和降低产品的使用周期成本。

紫铜具有优良的导热性﹑延展性和耐蚀性，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，电源转换模块的壳体与箱体的接触面积尽可能大，并在两者接触面涂上导热硅脂。见结构图5所示。

图5 电源转换模块和电池示意图

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4 mm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。同时采用基于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，在船舶上有非常广泛的应用，具有高密度、安全可靠、智能化等特点。

[1] Vicor Inc. 全型、小型、微型系列 DC-DC 转换器及配件模块设计指南和应用手册, 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] 刘波文. ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M]. 北京∶电子工业出版社, 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

张泽宇（1989-），男，工程师。研究方向：船舶监控系统。