一种星载设备电源控制系统的制作方法

1.本发明属于星载电源控制领域，尤其涉及一种星载设备电源控制系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国航天技术的快速发展，各类卫星的探测精度和数据处理能力有了大幅提升，给星载设备供电带来了较大挑战。以往星载设备直接连接至卫星的一次母线，通过继电器实现设备的加断电。但是，随着星载设备的功能复杂度和处理能力的提高，设备的功耗也越来越大，星载设备加电的启动电流也越来越大，造成了启动时产生的浪涌也越来越大，影响了卫星一次母线的安全。其次，星载设备一般采用整机冗余的方式，随着设备处理功能复杂度的提高，功能级数呈几何式的增长，而局部功能的失效都可能造成整机失效，降低星载设备的可靠性与寿命。并且星载设备各功能实现所需的功耗不尽相同，统一配电造成了电源带宽的浪费。


技术实现要素：

3.本发明的技术目的是提供一种星载设备电源控制系统，以解决背景技术问题。
4.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
5.一种星载设备电源控制系统，包括：一次电源转换模块、二次电源输出模块和双电源切换阵列；
6.一次电源转换模块与二次电源输出模块信号连接，用于将外部总体电路分系统输入的一次电源转换为功能模块所需的二次电源和控制器所需的辅助电源；
7.二次电源输出模块用于接收并控制二次电源的输出，以及进行电压控制；其中，控制器设于二次电源输出模块内；
8.一次电源转换模块和二次电源输出模块均冗余设置，为双电源输入/输出设置，双电源切换阵列用于完成双电源应用控制。
9.其中，一次电源转换模块包括2路互为冗余且相互独立的一次电源电路，每路一次电源电路中均设有dc/dc模块，用于将一次电源转换为二次电源和辅助电源，二次电源与辅助电源相互独立；两路一次电源电路支持分时或同时工作。
10.其中，二次电源输出模块包括2组互为冗余的电源输出子模块，电源输出子模块均包括控制器和电源输出阵列；
11.控制器用以对电源输出阵列进行控制，以及对二次电源输出模块输出电源的状态进行监测；控制器的电源由辅助电源提供；
12.电源输出阵列包括多路二次电源输出单元，且各单元间的电路相互独立，每路二次电源输出单元用于完成本单元的电源输出控制及输出状态采样。
13.具体地，双电源切换阵列包括多路双电源切换电路，多路双电源切换电路与多路二次电源输出单元一一对应，双电源切换电路支持双电源控制切换或自动切换两种模式。
14.具体地，二次电源输出单元包括二次电源保护电路、mos管防倒灌电路、开关电路
和电源采样电路；
15.二次电源保护电路用于对二次电源输出单元产生异常大电流时自动切换，以实现电路保护；
16.mos管防倒灌电路用于接收经二次电源保护电路的二次电源并输出至外部；
17.开关电路用于控制mos管防倒灌电路中mos管的打开与关闭；
18.电源采样电路用于对mos管防倒灌电路输出的电压值进行隔离并转换，而后发送至控制器。
19.其中，二次电源保护电路包括第一保险丝和第二保险丝；
20.第一保险丝和第二保险丝并联设置，其一端为二次电源输出单元的输入端，另一端与mos管防倒灌电路电连接。
21.具体地，mos管防倒灌电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、二极管、第一mos管和第二mos管；
22.二次电源保护电路的输出端与第一mos管的漏极电连接，第一mos管的栅极与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端分别与第三电阻的一端和第四电阻的一端电连接，第三电阻的另一端与第一mos管的源极电连接；第一mos管的源极还分别与第一电容的一端、二极管的负极以及第二mos管的源极电连接，第一电容的另一端与第二电容的一端电连接，第二电容的另一端分别与第四电阻的另一端、二极管的正极和第二电阻的一端电连接；第二电阻的另一端与第二mos管的栅极电连接，第二mos管的漏极与电源采样电路电连接。
23.其中，开关电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻和三极管；
24.第五电阻的一端与控制器电连接，第五电阻的另一端分别与第六电阻的一端、三极管的基极电连接，第六电阻的另一端和三极管的发射极接地，三极管的集电极与第七电阻的一端电连接，第七电阻的另一端与mos管防倒灌电路电连接。
25.具体地，电源采样电路包括第八电阻、第三电容、多路开关单元和ad转换器；
26.第八电阻的一端与mos管防倒灌电路的输出端电连接，第八电阻的另一端分别与第三电容的一端和多路开关单元的一引脚电连接，第三电容的另一端接地，多路开关单元的输出引脚经ad转换器与相应的控制器电连接。
27.具体地，控制器用于根据预置或在轨重置的方式完成多路二次电源输出的控制策略；控制器上电或重置前二次电源必须输出处于关闭状态，按预置二次电源输出优先级的状态依次打开，相同的优先级同时打开，同时，控制器根据电源采样电路返回值监测二次电源输出的状态是否成功，完成故障二次电源的自动关闭控制，并将状态下传。
28.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
29.本发明采用分级上电控制，有效降低了一次电源的浪涌电流，提高了星载设备供电的安全性；
30.本发明采用mos管防倒灌设计，实现了二次电源的冗余设计，可支持设备功能级的并联冗余需求；
31.本发明利用mos管电流自动均衡技术，实现了多路电源并行驱动，满足了不同负载的电源需求和可靠性应用要求。
附图说明
32.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
33.图1为本发明的一种星载设备电源控制系统的逻辑框图；
34.图2为本发明的一种二次电源输出单元的逻辑框图；
35.图3为本发明的一种二次电源输出单元的电路结构示意图。
36.附图标记说明
37.r1：第一电阻；r2：第二电阻；r3：第三电阻；r4：第四电阻；r5：第五电阻；r6：第六电阻；r7：第七电阻；r8：第八电阻；c1：第一电容；c2：第二电容；c3：第三电容；q1：第一mos管；q2：第二mos管；q3：三极管；v1：二极管。
具体实施方式
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
39.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
40.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种星载设备电源控制系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
41.实施例
42.参看图1至图3，本实施例提供一种星载设备电源控制系统。以图1为例，本实施例可分为一次电源转换模块、二次电源输出模块和双电源切换阵列。一次电源转换模块与二次电源输出模块信号连接，用于将外部总体电路分系统输入的30v一次电源转换为功能模块所需的5.2v二次电源和控制器所需的辅助电源。二次电源输出模块用于接收并控制二次电源的输出，以及进行电压控制；其中，控制器设于二次电源输出模块内。
43.进一步地，一次电源转换模块和二次电源输出模块均冗余设置，为双电源输入/输出设置，双电源切换阵列用于完成双电源应用控制。
44.具体地，一次电源转换模块包括2路互为冗余且相互独立的一次电源电路，每路一次电源电路中均设有一组dc/dc模块，用于将一次电源转换为二次电源和辅助电源，二次电源和辅助电源相互独立。两路一次电源电路支持分时或同时工作。具体地，dc/dc模块中设计了4片100w的dc/dc，每片dc/dc输出电压为5.2v，提供输出电流为20a，每路支持与4路二次电源输出单元电连接。第一组dc/dc必须配置，用于对相应控制器供电和第1～4路二次电源输出单元的电源，第二组～第四组dc/dc根据应用需要选择配置。由于每片dc/dc输出电压为5.2v，比二次电源输出模块所需的5.0v大0.2v，因而功能模块所需的二次电源输出具备可调整功能，可补偿的二次电源输出的电压损耗。
45.同理，二次电源输出模块包括2组互为冗余的电源输出子模块，其中，电源输出子模块a为主电源，电源输出子模块b为副电源。电源输出子模块均包括控制器和电源输出阵列，控制器选用高可靠的反熔丝fpga(a54sx72a-1cq208b)，用以对电源输出阵列进行控制，以及对二次电源输出模块输出电源的状态进行监测，控制器的电源由辅助电源提供。电源输出阵列则包括16路二次电源输出单元，且各单元间的电路相互独立，每路二次电源输出单元用于完成本单元的电源输出控制及输出状态采样。
46.参看图1，双电源切换阵列包括16路双电源切换电路，16路双电源切换电路与多路二次电源输出单元一一对应，双电源切换电路支持双电源控制切换或自动切换两种模式。
47.进一步地，参看图2和图3，二次电源输出单元包括二次电源保护电路、mos管防倒灌电路、开关电路和电源采样电路。
48.其中，二次电源保护电路用以当该路二次电源输出发生异常大电流时自动切断，保护二次电源。本实施例中二次电源保护电路采用并联设置的第一保险丝和第二保险丝，保险丝组的一端为二次电源输出单元的输入端，另一端与mos管防倒灌电路电连接。当异常大电流发生时，保险丝发热自动熔断。
49.接着，mos管防倒灌电路用于接收经二次电源保护电路的二次电源并输出至外部。采用两只mos管背靠背进行连接，靠近电源输入端的mos管采用反接方式，电源输出端的mos管采用正接方式。两只mos管的栅极由相对应的控制器完成控制，即控制器a对二次电源输出子模块a中的mos管实现控制，同理，控制器b也如此设置。
50.具体地，mos管防倒灌电路包括有第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、第二电容c2、二极管v1、第一mos管q1和第二mos管q2。第一mos管q1与第二mos管q2为同一规格(2n7625t3)，性能相近。此外，需要对mos管进行温度控制，将mos管安装于大的散热冷板上，通过散热冷板与机壳相连，然后通过机壳进行散热，散热效果较好，在10a以下应用场合的mos管温度稳定性较好，从而提高输出电源的稳定性。
51.二次电源保护电路的输出端与第一mos管q1的漏极电连接，第一mos管q1的栅极与第一电阻r1的一端电连接，第一电阻r1的另一端分别与第三电阻r3的一端和第四电阻r4的一端电连接，第三电阻r3的另一端与第一mos管q1的源极电连接。第一mos管q1的源极还分别与第一电容c1的一端、二极管v1的负极以及第二mos管q2的源极电连接，第一电容c1的另一端与第二电容c2的一端电连接，第二电容c2的另一端分别与第四电阻r4的另一端、二极管v1的正极和第二电阻r2的一端电连接。第二电阻r2的另一端与第二mos管q2的栅极电连接，第二mos管q2的漏极与电源采样电路电连接。然后，本实施例的开关电路用于控制mos管防倒灌电路中mos管的打开与关闭，实现二次电源的输出与中止。具体地，开关电路包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和三极管q3(3dg162c)。第五电阻r5的一端与控制器电连接，第五电阻r5的另一端分别与第六电阻r6的一端、三极管q3的基极电连接，第六电阻r6的另一端和三极管q3的发射极接地，三极管q3的集电极与第七电阻r7的一端电连接，第七电阻r7的另一端与mos管防倒灌电路电连接。
52.电源采样电路用于对mos管防倒灌电路输出的电压值进行隔离并转换，而后发送至控制器。具体地，电源采样电路包括第八电阻r8、第三电容c3、多路开关单元和ad转换器。第八电阻r8的一端与mos管防倒灌电路的输出端电连接，第八电阻r8的另一端分别与第三电容c3的一端和多路开关单元的一引脚电连接，第三电容c3的另一端接地，多路开关单元
的输出引脚经ad转换器与相应的控制器电连接。其中，多路开关选用intersil公司的hi4p546-5z，具备冷高阻特性；控制器和电源采样电路的供电由保险丝前端电源经非隔离式电源mpd23774获取的3.3v、2.5v供电电源。
53.参看图3，上述对二次电源输出单元的详细描述针对的是二次电源输出子模块a中的任意一个电源输出单元，同理，在二次电源输出子模块b中的电源输出单元的电路也如此设置。其中，互为冗余的两个电源输出单元之间还通过一个二极管和一个开关连接，二次电源输出单元的第一电阻r1与另一二次电源输出单元相对应的电阻电连接。此外，互为冗余的电源输出单元的电源采样电路互为并联设置，且两者接收的信号均会经过第八电阻r8。
54.参看图1，现对双电源切换阵列进行详细说明：
55.每路的双电源切换电路由一组小电流的磁保持继电器和低电压的二极管串联组成，其中继电器的开关控制由控制器b控制，继电器的线包电源由b_vin(备电源)提供。当继电器处于闭合状态时，二次电源输出处于自动切换状态；当继电器处于打开状态时，二次电源输出处于控制切换状态。
56.双电源切换电路的输出信号可直接连接至a组对应的二次电源输出单元中第一mos管q1的栅极。当切换电路中的继电器处于闭合状态时，若a_vin(主电源)处于加电状态，b_vin(备电源)处于断电状态，则二次电源输出由a路控制；若b_vin处于加电状态，则自动关闭a路电源输出，切换至b路电源控制。当切换电路中的继电器处于打开状态，若a_vin处于加电状态，b_vin处于断电状态，则二次电源输出由a路控制；若a_vin处于断电状态，b_vin处于加电状态，则二次电源输出由b路控制；若a_vin、b_vin均处于加电状态，则二次电源输出由a、b路并联输出，此时负载电流可增加1倍。较优地，二次电源输出可多路并联使用，满足不同负载的电流需求或高可靠的应用场合。在高可靠的应用场合，推荐2路并联使用，负载电流不变，可以支持一路电路故障，输出电源不失效。
57.较优秀地，在本实施例中，控制器用于根据预置或在轨重置的方式完成多路二次电源输出的控制策略；控制器上电或重置前二次电源必须输出处于关闭状态，按预置二次电源输出优先级的状态依次打开，相同的优先级同时打开，同时，控制器根据电源采样电路返回值监测二次电源输出的状态是否成功，完成故障二次电源的自动关闭控制，并将状态下传。
58.具体为，控制器上电前输出给三极管q3为高阻态，三极管q3的基极由于下拉电阻处于低电平状态，三极管q3处于截止状态。当第一mos管q1处于反接状态时，由于其寄生二极管v1的存在导致漏极输出电压，且栅极与漏极电源相同，第一mos管q1处于短路状态。而第二mos管q2的栅极与漏极电源也相同，第二mos管q2不导通，电源不输出。当控制器输出高电平至三极管q3的基极，第一mos管q1导通，第一mos管q1和第二mos管q2均处于导通状态，电源正常输出。当第二mos管q2处于反接状态时，第二mos管q2处于短路状态，而第一mos管q1栅极与漏极电源相同，第一mos管q1不导通，从而防止电源倒灌。
59.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种星载设备电源控制系统，其特征在于，包括：一次电源转换模块、二次电源输出模块和双电源切换阵列；所述一次电源转换模块与所述二次电源输出模块信号连接，用于将外部总体电路分系统输入的一次电源转换为功能模块所需的二次电源和控制器所需的辅助电源；所述二次电源输出模块用于接收并控制二次电源的输出，以及进行电压控制；其中，所述控制器设于所述二次电源输出模块内；所述一次电源转换模块和所述二次电源输出模块均冗余设置，为双电源输入/输出设置，所述双电源切换阵列用于完成双电源应用控制。2.根据权利要求1所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述一次电源转换模块包括2路互为冗余且相互独立的一次电源电路，每路所述一次电源电路中均设有dc/dc模块，用于将一次电源转换为二次电源和辅助电源，二次电源与辅助电源相互独立；两路所述一次电源电路支持分时或同时工作。3.根据权利要求1所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述二次电源输出模块包括2组互为冗余的电源输出子模块，所述电源输出子模块均包括所述控制器和电源输出阵列；所述控制器用以对所述电源输出阵列进行控制，以及对所述二次电源输出模块输出电源的状态进行监测；所述控制器的电源由辅助电源提供；所述电源输出阵列包括多路二次电源输出单元，且各单元间的电路相互独立，每路所述二次电源输出单元用于完成本单元的电源输出控制及输出状态采样。4.根据权利要求3所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述双电源切换阵列包括多路双电源切换电路，多路所述双电源切换电路与多路所述二次电源输出单元一一对应，所述双电源切换电路支持双电源控制切换或自动切换两种模式。5.根据权利要求3所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述二次电源输出单元包括二次电源保护电路、mos管防倒灌电路、开关电路和电源采样电路；所述二次电源保护电路用于对所述二次电源输出单元产生异常大电流时自动切换，以实现电路保护；所述mos管防倒灌电路用于接收经所述二次电源保护电路的二次电源并输出至外部；所述开关电路用于控制所述mos管防倒灌电路中mos管的打开与关闭；所述电源采样电路用于对所述mos管防倒灌电路输出的电压值进行隔离并转换，而后发送至所述控制器。6.根据权利要求5所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述二次电源保护电路包括第一保险丝和第二保险丝；所述第一保险丝和所述第二保险丝并联设置，其一端为二次电源输出单元的输入端，另一端与所述mos管防倒灌电路电连接。7.根据权利要求5所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述mos管防倒灌电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、二极管、第一mos管和第二mos管；所述二次电源保护电路的输出端与所述第一mos管的漏极电连接，所述第一mos管的栅极与所述第一电阻的一端电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端和所
述第四电阻的一端电连接，所述第三电阻的另一端与所述第一mos管的源极电连接；所述第一mos管的源极还分别与所述第一电容的一端、所述二极管的负极以及所述第二mos管的源极电连接，所述第一电容的另一端与所述第二电容的一端电连接，所述第二电容的另一端分别与所述第四电阻的另一端、所述二极管的正极和所述第二电阻的一端电连接；所述第二电阻的另一端与所述第二mos管的栅极电连接，所述第二mos管的漏极与所述电源采样电路电连接。8.根据权利要求5所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述开关电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻和三极管；所述第五电阻的一端与所述控制器电连接，所述第五电阻的另一端分别与所述第六电阻的一端、所述三极管的基极电连接，所述第六电阻的另一端和所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与所述第七电阻的一端电连接，所述第七电阻的另一端与所述mos管防倒灌电路电连接。9.根据权利要求5所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述电源采样电路包括第八电阻、第三电容、多路开关单元和ad转换器；所述第八电阻的一端与所述mos管防倒灌电路的输出端电连接，所述第八电阻的另一端分别与所述第三电容的一端和所述多路开关单元的一引脚电连接，所述第三电容的另一端接地，所述多路开关单元的输出引脚经所述ad转换器与相应的所述控制器电连接。10.根据权利要求5所述的星载设备电源控制系统，其特征在于，所述控制器用于根据预置或在轨重置的方式完成多路二次电源输出的控制策略；所述控制器上电或重置前二次电源必须输出处于关闭状态，按预置二次电源输出优先级的状态依次打开，相同的优先级同时打开，同时，所述控制器根据电源采样电路返回值监测二次电源输出的状态是否成功，完成故障二次电源的自动关闭控制，并将状态下传。

技术总结
本发明公开一种星载设备电源控制系统，包括：用于将外部总体电路分系统输入的一次电源转换为功能模块所需的二次电源和控制器所需的辅助电源的一次电源转换模块。用于接收并控制二次电源的输出，以及进行电压控制的二次电源输出模块。控制器设于二次电源输出模块内。一次电源转换模块和二次电源输出模块均冗余设置，为双电源输入/输出设置，通过双电源切换阵列完成双电源应用控制。采用分级上电控制，有效降低了一次电源的浪涌电流，提高了星载设备供电的安全性。采用MOS管防倒灌设计，实现了二次电源的冗余设计，可支持设备功能级的并联冗余需求。利用MOS管电流自动均衡技术，实现了多路电源并行驱动，满足了不同负载的电源需求和可靠性应用要求。和可靠性应用要求。和可靠性应用要求。


技术研发人员：濮建福 段欣欣 蒋志胜 白郁 张甜甜
受保护的技术使用者：上海航天测控通信研究所
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/6