一种电源系统的制作方法

本发明涉及电源设计技术领域，具体涉及一种用于为航天载荷供电的电源系统。

背景技术：

由于卫星平台独有的太空环境，使得星载电子载荷系统在电波频谱普查、信息收集领域具备独特的、不可替代的地位。

航天载荷在轨运行期间，由于硬件出现故障具有不可修复性的特性，航天载荷的可靠性设计一直是所有航天产品进行产品设计时的首要考量因素。电源系统是电子设备正常工作的基础，航天载荷电源系统一旦出现故障，将对卫星在轨任务产生直接影响，例如：载荷单机的电源系统故障，将直接导致该单机不能正常工作；一台载荷单机的电源系统出现故障，如果故障扩散，可能导致卫星平台电源分系统故障，将直接导致整星在轨任务失败。

技术实现要素：

本发明提供了一种电源系统，具备多重防护的特性，以满足卫星平台对电源系统的高可靠性要求。

本发明提供的电源系统包括：熔断保护电路、DC/DC电源电路、开关控制电路和浪涌抑制电路；

输入电源的正极通过所述熔断保护电路接所述DC/DC电源电路的输入正端；所述输入电源的负极依次通过所述浪涌抑制电路和所述开关控制电路接所述DC/DC电源电路的输入负端；

所述DC/DC电源电路，用于将输入电源的电压转换为负载需要的工作电压；

所述熔断保护电路，用于当负载短路或发生闩锁时，断开所述输入电源的正极与所述DC/DC电源电路的输入正端之间的通路；

所述开关控制电路包括第一驱动器、第二驱动器、继电器；当所述第一驱动器收到开机上电控制指令时，控制所述继电器接通所述输入电源的负极与所述DC/DC电源电路的输入负端之间的通路，使所述电源系统开机；当所述第二驱动器收到关机断电控制指令时，控制所述继电器断开所述输入电源的负极与所述DC/DC电源电路的输入负端之间的通路，使所述电源系统关闭；

所述浪涌抑制电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管的控制端接所述开关控制电路的输出端，输入端接所述输入电源的负极，输出端接所述DC/DC电源电路的输入负端，用于抑制所述电源系统开机瞬间供电电流瞬时急剧增大产生的浪涌。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的电源系统通过控制继电器触点的吸合、断开完成对开关管的导通、截止控制，实现对载荷单机的上电、断电控制；熔断保护电路可以在负载短路或发生闩锁时，断开输入电源的正极与电源系统的连接，有效对载荷单机出现的短路故障进行有效防护；浪涌抑制电路可以抑制电源系统开机瞬间供电电流瞬时急剧增大产生的浪涌，防止对卫星电源母线造成损害；本发明实施例提供的电源系统具有多重防护设计，可以满足卫星平台对电源系统高可靠性的要求，增强了载荷单机在复杂空间环境下的生存能力。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种电源系统的功能框图；

图2是本发明一个优选实施例提供的一种电源系统的功能框图；

图3是本发明一个实施例提供的一种电源系统的电路图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：通过控制继电器触点的吸合、断开完成对VMOS开关管的导通、截止控制，实现对载荷单机的上电、断电控制。针对卫星平台对电源系统的高可靠性要求，对电源系统进行多重防护设计：接在输入电源正极的熔断保护电路可以在负载短路或发生闩锁时，断开输入电源的正极与电源系统的连接，针对负载电路可能出现的短路、闩锁等故障导致的电流剧烈增大情况进行有效防护；浪涌抑制电路可以抑制电源系统开机瞬间由于容性负载的充电效应而使供电电流瞬时急剧增大产生的浪涌，防止对卫星电源母线造成损害；在关机瞬间，由消反器件实现对反向电压的抑制，实现对外围有源器件的防护；EMI滤波电路对电源母线电压上加载的纹波、串扰进行抑制，输出滤波电路滤除输出的工作电压上加载的DC/DC开关频率、负载间的串扰信号消除电源纹波、串扰对设备正常工作的影响，从而增强了航天载荷在复杂太空环境下的生存能力，增强了电源系统的可靠性、安全性。

实施例一

图1是本发明一个实施例提供的一种电源系统的功能框图，如图1所示，本实施例提供用于为航天载荷供电的电源系统包括熔断保护电路110、DC/DC电源电路120、开关控制电路130和浪涌抑制电路140。

输入电源的正极通过熔断保护电路110接DC/DC电源电路120的输入正端；输入电源的负极通过开关控制电路130和浪涌抑制电路140接DC/DC电源电路120的输入负端。DC/DC电源电路120将输入电源的电压转换为负载需要的工作电压。

当负载短路或发生闩锁时，熔断保护电路110断开输入电源的正极与DC/DC电源电路120的输入正端之间的通路，提供对卫星平台电源母线的实时保护。

开关控制电路130用于载荷的开机上电、关机断电控制，包括第一驱动器、第二驱动器、继电器。当第一驱动器收到开机上电控制指令时，第一驱动器控制继电器内的开关吸合，接通输入电源的负极与DC/DC电源电路120的输入负端之间的通路，使载荷开机上电。当第二驱动器收到关机断电控制指令时，第二驱动器控制继电器内的开关断开，从而断开输入电源的负极与DC/DC电源电路120的输入负端之间的通路，使电源系统无输出。

浪涌抑制电路140包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的控制端接开关控制电路130的输出端，输入端接输入电源的负极，输出端接DC/DC电源电路120的输入负端。在设备开机瞬间，浪涌抑制电路140可以对由于容性负载的充电效应而使供电电流瞬时急剧增大产生的浪涌进行抑制。本实施例提供的用于为航天载荷供电的电源系统可有效防止负载电路可能出现的短路、闩锁等故障导致的电流剧烈增大情况对负载噪声的损害，可以实现对平台电源母线提供实时防护。本电源系统设计了多重适应空间环境的防护措施，增强了航天载荷在复杂太空环境下的生存能力，增强了航天产品的可靠性、安全性。

实施例二

图2是本发明一个优选实施例提供的一种电源系统的功能框图，如图2所示，与上述实施例一相比，本优选实施例提供的电源系统还包括EMI滤波电路220和输出滤波电路260。

EMI滤波电路260的输入正端接熔断保护电路210的输出端，输入负端通过浪涌抑制电路240和开关控制电路230输入电源的负极，输出正端接DC/DC电源电路250的输入正端，输出负端接DC/DC电源电路250的输入负端。EMI滤波电路260可以对电源母线电压上加载的纹波、串扰进行抑制，降低电源纹波、串扰对设备正常工作的影响。

输出滤波电路260的输入端接DC/DC电源电路250的输出端，输出滤波电路260的输出端接负载。输出滤波电路260可以滤除DC/DC电源电路250输出电压上加载的DC/DC开关频率以及负载间的串扰。

实施例三

图3是本发明一个实施例提供的一种电源系统的电路图，如图3所示，本实施例中，熔断保护电路包括熔断器F1、F2以及电阻R1。熔断器F2串联在输入电源的正极和EMI滤波电路的输入正端之间，熔断器F2的两端分别连接熔断器F1和限流电阻R1的一端，熔断器F1与限流电阻R1的另一端连接。航天载荷加电工作时，28V的输入电源电压加载到熔断保护电路的输入端，对载荷单机可能出现的短路、闩锁等导致电流急剧增大的故障，提供必要的防护。熔断器F1串接限流电阻R1与熔断器F2组成冗余电路设计，实现对平台电源母线的保护。熔断器F1、F2为同型号器件，如RFG系列，可根据航天载荷的实际工作电流确定。熔断器F1、F2的熔断电流须满足：2Iint<I<Iint+7，即熔断电流须大于载荷额定电流的2倍，小于载荷额定电流加7A。限流电阻R1的阻值可根据熔断器F1的内阻确定，优选地，二者的阻值比为18：1，即载荷单机正常工作时，95％的工作电流流经熔断器F2。限流电阻R1可以是RX21系列的精密电阻，例如碳膜绕线精密电阻。

本实施例中，EMI滤波电路包括EMI滤波器Z1。EMI滤波器Z1串联在熔断保护电路和DC/DC电源电路之间，EMI滤波器Z1的输入正端连接熔断保护电路的输出端，输入负端通过浪涌抑制电路和开关控制电路接输入电源的负极，输出正端连接DC/DC电源电路的输入正端，输出负端连接DC/DC电源电路的输入负端。28V的输入电源通过熔断保护电路送到EMI滤波电路，EMI滤波器Z1完成对输入电源上加载的纹波、串扰进行抑制，消除电源纹波、串扰对设备正常工作的影响。EMI滤波器Z1的选用可根据航天载荷的实际工作电压、工作电流选取。为满足航天载荷降额设计要求，EMI滤波器Z1的额定电流应为载荷单机额定电流的2倍左右。EMI滤波器Z1的型号可选用Inter point系列或者VPT系列。

本实施例中，DC/DC电源电路包括DC/DC转换器E1、E2。DC/DC转换模块E1串联在EMI滤波电路的输出端和输出滤波电路之间，DC/DC转换器E1的输入正端接EMI滤波器的输出正端，DC/DC转换器E1的输入负端接EMI滤波器的输出负端。DC/DC转换器E1的输出正端接输出滤波电路的第一输入端，DC/DC转换器E1的输出负端接输出滤波电路的第二输入端。DC/DC转换器E1将28V的输入电源转换为设备正常工作需要的+5V、﹣5V电压。DC/DC转换器E2的输入正端接EMI滤波器的输出正端，DC/DC转换器E2的输入负端接EMI滤波器的输出负端，DC/DC转换器E2的电压输出端接输出滤波电路的第三输入端。DC/DC转换器E2将28V的输入电源转换为设备正常工作需要的+15V电压。

为满足航天载荷降额设计要求，DC/DC转换器E1、E2的每路输出额定电流应为负载额定电流的2倍左右。DC/DC转换器E1、E2可选用Inter point系列或者VPT系列。

本实施例中，输出滤波电路包括滤波电容C1～C24、滤波电感L1～L3。滤波电感L1的第一端分别接滤波电容C1、C13的第一端、以及DC/DC转换器E1的输出正端，滤波电容C1通过滤波电容C2接地，滤波电容C13通过滤波电容C14接地。滤波电感L1的第二端分别接滤波电容C3、C15的第一端后，向负载输出+5V电压，滤波电容C3通过滤波电容C4接地，滤波电容C15通过滤波电容C16接地。

滤波电感L2的第一端分别接滤波电容C5、C17的第一端、以及DC/DC转换器E1的输出负端，滤波电容C5通过滤波电容C6接地，滤波电容C17通过滤波电容C18接地。滤波电感L2的第二端分别滤波电容C7、C19的第一端后，向负载输出-5V电压，滤波电容C7通过滤波电容C8接地，滤波电容C19通过滤波电容C20接地。

滤波电感L3的第一端分别接滤波电容C9、C21的第一端、以及DC/DC转换器E2的输出端，滤波电容C9通过滤波电容C10接地，滤波电容C21通过滤波电容C22接地。滤波电感L3的第二端分别接滤波电容C11、C23的第一端后，向负载输出+15V电压，滤波电容C11通过滤波电容C12接地，滤波电容C23通过滤波电容C24接地。

滤波电感采用在磁环上绕漆包线的方式自制，电感的绕制由流经的电流的大小及对输出的工作电压纹波干扰抑制要求确定，磁环为MXD-2000系列，漆包线为QZ-2系列。

滤波电容C1～C12可根据输出的工作电压的大小及对工作电压远端纹波干扰的抑制要求确定。加载在C1～C12的电压不超过其耐压值的40％。滤波电容C1～C12可为带封装的电容，其封装形式为表贴封装，滤波电容C1～C12可为多层陶瓷。

滤波电容C13～C24可根据输出的工作电压的大小及对近端纹波干扰的抑制要求确定。加载在C13～C24的电压约为其耐压值的40％左右。滤波电容C13～C24可为带封装的电容，其封装形式为表贴封装，滤波电容C13～C24可为钽电容或高分子聚合电容。

28V的输入电压通过DC/DC电源电路转换为多路工作电压并加载到输出滤波电路，滤波电感L1、滤波电容C1～C4、C13～C16组成的滤波电路滤除+5V电压上的DC/DC开关频率及负载间的串扰信号。滤波电感L2、滤波电容C5～C8、C17～C20组成的滤波电路滤除﹣5V电压上的DC/DC开关频率及负载间的串扰信号。滤波电感L3、滤波电容C9～C12、C21～C24组成的滤波电路滤除+15V电压上的DC/DC开关频率及负载间的串扰信号。转换后的+5V、﹣5V、+15V电压经滤波后输出，提供给载荷单机的后级电路使用。

本实施例中，开关控制电路包括限流电阻R3、R4，驱动器D1、D2，继电器J1、消反电阻R5～R8和消反二极管V1～V4。限流电阻R3的第一端用于接收开机上电指令，第二端接驱动器D1的控制输入端。驱动器D1采用4个达林顿管两两串、并连接的工作方式，驱动器D1的控制输出端连接继电器J1激励线圈1的控制端，继电器J1激励线圈1的另一端连接熔断保护电路的输出端。继电器J1采用4个触点开关两两串、并连接的工作方式，继电器J1开关两端分别与激励线圈1的两端连接。消反电阻R5一端与继电器J1激励线圈1的一端连接，消反电阻R5另一端与消反二极管V1的负端连接，消反二极管V1的正端连接驱动器D1的控制输出端，消反电阻R6一端与消反电阻R5一端连接，消反电阻R6另一端与消反二极管V2的负端连接，消反二极管V2的正端连接驱动器D1的控制输出端。

限流电阻R4的一端接收关机断电指令，另一端连接驱动器D2的控制输入端，驱动器D2采用4个达林顿管两两串、并连接的工作方式，驱动器D2的控制输出端连接继电器J1激励线圈2的控制端，继电器J1激励线圈2的另一端与继电器J1激励线圈1的一端连接，消反电阻R7一端与继电器J1激励线圈2的一端连接，消反电阻R7另一端与消反二极管V3的负端连接，消反二极管V3的正端连接驱动器D2的控制输出端，消反电阻R8一端与消反电阻R7一端连接，消反电阻R8另一端与消反二极管V4的负端连接，消反二极管V4的正端连接驱动器D2的控制输出端。

限流电阻R3、R4可根据控制指令电平及加载到驱动器D1、D2控制端的电压确定。限流电阻R3的取值应当满足：控制指令经R3后加载到驱动器D1的控制端，能确保驱动器D1工作在深度饱和区。限流电阻R4的取值应当满足：控制指令经R4后加载到驱动器D2的控制端，能确保驱动器D2工作在深度饱和区。限流电阻R3、R4可为带封装的电阻，其封装形式为表贴封装。可选地，R3、R4取值均为100Ω。

驱动器D1、D2可根据继电器J1触点吸合、断开所需要的驱动电流确定。驱动器D1、D2为4个达林顿管或4个三极管开关电路通过两两串、并组合的方式构成。继电器J1可根据继电器触点流经电流、使用寿命确定。可选地，继电器J1为磁保持系列。

消反电阻R5、R6可根据航天载荷加电、断电瞬间在继电器J1激励线圈1、激励线圈2控制端产生的反向电动势大小确定。消反电阻R5、R6可为带封装的电阻，其封装形式为表贴封装。可选地，R5、R6取值均为75Ω

消反二极管V1～V4可根据输入电源的电压及加电、断电瞬间在继电器J1激励线圈1控制端产生的反向电动势大小确定。消反二极管V1～V4可为带封装的二极管，其封装形式为D0-35封装。可选地，V1～V4选取2CK系列。

开关控制电路用于载荷的开机上电、关机断电控制。开机控制电平经限流电阻R3送到驱动器D1的控制端，驱动器D1导通到地，导通电流流经继电器J1激励线圈1，继电器吸合，28V的输入电源经继电器加载到VMOS管V5、V6的控制端，VMOS管V5、V6导通，DC/DC电源电路输出工作电压。关机控制电平经限流电阻R4送到驱动器D2的控制端，驱动器导通到地，导通电流流经继电器J1激励线圈2，继电器断开，VMOS管V5、V6的控制端电压为零，VMOS管V5、V6截止，DC/DC电源电路无电压输出，载荷单机关机。在关机瞬间，消反器件工作，对反向电压实施抑制，实现对外围有源器件的实时防护

本实施例中，浪涌抑制电路包括分压电阻R9、R11，积分电阻R10、R12，积分电容C25、C26，VMOS开关管V5、V6。分压电阻R9的一端连接继电器J1触点输出端，另一端连接积分电阻R10的一端，积分电阻R10的另一端连接输入电源的负极。分压电阻R11的两端分别与分压电阻R9的两端连接，积分电阻R12的两端分别与积分电阻R10的两端连接，积分电容C25的一端与积分电阻R12的一端连接，另一端与积分电容C26连接，积分电容C26的另一端连接输入电源的负极。

VMOS开关管V5的控制端与积分电容C25的一端连接，输入端与输入电源的负极连接，输出端与EMI滤波电路的输入负端连接。VMOS开关管V6的控制端与VMOS开关管V5的控制端连接，输出端与VMOS开关管V5的输出端连接，输入端与VMOS开关管V5的输入端连接。

分压电阻R9、R11可根据对浪涌电流的抑制要求及加载在VMOS开关管V5、V6的导通电压确定。分压电阻R9、R11的取值应满足：经分压电阻R9、R11分压后加载在VMOS开关管V5、V6的电压能使开关管确保导通。分压电阻R9、R11可为带封装的电阻，其封装形式为表贴封装。积分电阻R10、R12可根据对浪涌电流抑制要求及加载在VMOS开关管V5、V6的导通电压确定。积分电阻R10、R12的取值应满足：积分电阻经R10、R12分压后加载在积分电阻R10、R12的电压能使VMOS开关管V5、V6确保导通。积分电阻R10、R12可为带封装的电阻，其封装形式为表贴封装。积分电容C25、C26可根据对浪涌电流抑制要求确定，积分电容C25、C26可为带封装的电容，其封装形式为表贴封装。

VMOS开关管V5、V6可根据载荷工作电压、工作电流确定。为满足降额设计要求，VMOS开关管额定电流应为载荷单机工作电流的2倍左右，加载在VMOS开关管的导通电压最坏情况下应为其击穿电压的60％左右。可选地，VMOS开关管为IS公司的系列产品。

开关控制电路控制载荷上电开机时，积分电容C25、C26上的电压为零，VMOS管V5、V6处于截止状态，没有电流流过VMOS管V5、V6。随后输入电源通过分压电阻R9、R11对积分电容C25、C26进行充电，VMOS管V5、V6的控制端电压逐渐升高，当达到VMOS管V5、V6开启电压后，VMOS管V5、V6处于放大状态，其特性相当于一个阻值逐渐减小的可变电阻输入电源通过VMOS管V5、V6对载荷单机负载端的电容进行充电，因而充电电流得到抑制。当VMOS管V5、V6的控制端的电压达到使VMOS管V5、V6饱和导通后，VMOS管V5、V6饱和导通，成为一个小电阻，电路常态工作。此过程即为载荷单机上电开机时，浪涌抑制电路对由于容性负载的充电效应而产生的浪涌电流进行抑制的过程。在开机瞬间，浪涌抑制电路工作对浪涌电流实施抑制，实现对平台电源母线的实时保护

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。