论文部分内容阅读
摘要：针对某型引进装备中一种典型二次电源组件存在装机数量大、故障率高、备件紧缺和外购困难等问题，在外方没有提供设计资料的情况下，采用逆向工程方法，通过系统反设计剖析原二次电源组件的组成结构、工作原理及性能指标，提出采用功能替代的国产化研制思路。研制的国产化组件在结构、功能性能上与武器系统完全兼容，能够替代原二次电源组件直接装机使用，成功解决了制约引进装备备件维修保障的瓶颈问题。目前，研制的该型国产化组件已在装备修理中得到推广应用。
关键词：稳压；国产化；功能替代；故障监测
Keywords：voltage regulator；localization；function replace；fault monitoring
0 引言
电源是武器系统电子设备必不可少的重要组成部分，可以说电源电路是一切电子设备工作的基础，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。武器装备电源电路是一套复杂的系统，电源种类繁多，其中二次电源是将主电源电能变换为另一种形式或规格的电能装置，用以满足不同用电设备的需求，裝机数量庞大，是武器装备电源系统的重要组成部分。近年来，随着武器装备使用年限的增加，故障率逐年增多，修复率较低，备件消耗量大，备件紧缺，外购困难，严重影响了战训任务的开展。为了保证引进装备的正常使用需求，充分发挥其作战效能，开展该型二次电源组件的国产化研制势在必行。
1 原二次电源组件的功能及组成
原二次电源组件安装于某型武器系统多型装备，一套系统装机数量达70余件，主要由稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路、接插件等组成，用于根据不同的输入电压及外围电路产生+12V/1A、+27V/0.2A、+30V/1.5A等不同类型的电源，并监测自身的输出电压与电流；当输出发生过压、欠压和过流时进行故障判断和指示，并产生故障信号送至系统其他电路，切断组件输入电源，达到保护组件自身和整机系统的作用。
2 国产化二次电源组件的设计
武器系统引进时，随机资料和人员培训主要集中在装备的使用和维护方面，出于技术保护，外方没有提供任何设计方面的技术资料。如何通过逆向工程的方法获得原电源组件在不同工作状态下的激励响应信息，反推解算出组件的输入输出设计需求，是一项系统、复杂的工作。本次研制在剖析原电源组件工作原理、各组成部分功用、互相之间联系的基础上，通过大量测试、分析和验证，获取了原二次电源组件的输入输出设计需求。
2.1 研制方案的确定
原二次电源组件硬件设计采用142ЕН3、142ЕП1、1НТ251等多片集成电路作为核心单元，加以外围电路设计，电路结构复杂，原理分析困难，核心器件技术资料缺失，且无相应直接替代型谱可查，显然，采用“一一替换”的研仿模式行不通，因此必须对原二次电源组件的功能、原理研究透彻，并对组件在不同工作状态下的输入、输出信息进行系统测试、分析和处理，尽可能得到完整、准确的设计输入输出需求，采用对其进行功能替代的研制方案进行。
2.2 国产化二次电源组件组成及原理
国产化二次电源组件功能、结构尺寸、接口关系与原组件一致，电路主要由稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路等组成，国产化二次电源组件原理框图如图1所示。
国产化组件采用MC1723、MC33161、4N35等集成芯片作为核心单元，对稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路进行了功能替代设计，实现了脉动直流电压的稳压变换以及过流、过压、欠压的监测与故障判断。当发生过流、过压、欠压故障时，产生故障信号送至组件外系统其他电路，系统根据收到的故障信号执行切断组件输入电源动作，达到保护组件自身和整机系统的作用，同时组件通过LED指示灯进行故障告警显示。
2.3 设计中解决的主要问题
1）稳压电路设计
直流稳压电源是为负载提供稳定直流电源的电子装置，随着武器系统电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性方向发展，对电子设备的供电电源提出了更高的要求。根据该型电源组件可输出多种不同规格电源和具有过流保护的要求，查阅大量器件数据资料及应用电路，选用MC1723集成芯片作为稳压电路设计的核心单元。MC1723是一种宽输入输出的正电压或负电压调节器，输出电流可达150mA，通过外接调整管可增加输出电流，工作温度范围为-55℃～125℃，输出电压为2～37V可调，线性调整率0.01%，负载调整率0.03%，短路限制电流可由电阻设定。MC1723器件有14引脚双列直插塑料及陶瓷（DIP）封装，也有贴片式（SO）封装，其管脚排列如图2所示，内部电路结构如图3所示。
电源组件要求输出+12V、+27V、+30V不同类型的电压，根据MC1723集成芯片数据手册的公式（1）、（2）、（3），本电路实际设计时，R1*为不同输出时组件外配置的固定电阻器，R2设定为20k可调电阻，R3设定为20k可调电阻，R4采用4.7Ω高精度可变电阻，外接2N6675作为调整管进行输出扩流。通过调节R2电位器可实现输出7～37V范围可调，通过R4可变电阻根据不同输出电流设置不同采样值进行过流监测。
式中，R2取值应符合10k 设计的稳压电路原理图如图4所示，电路工作时，通过Ш1/19、42与Ш1/44组件外围短接后实现限流功能，通过Ш1/19、42与Ш1/40组件外围串入R1*电阻后与R2共同实现输出电压的反馈调节功能。
2）故障监测电路设计
为了保证电源电路能够安全可靠地运行，必须设计保护电路，以便监视电源电路的工作情况，及时发现故障并切断故障组件的电源，防止事故扩大。鉴于该型电源组件要求具有过压、欠压的故障监测功能，查阅大量器件数据资料及应用电路，选用MC33161集成芯片作为故障监测电路设计的核心单元。 MC33161作为电压传感器广泛应用于电压检测电路，该器件采用双列直插式8引脚塑料及陶瓷（DIP）封装，也有贴片式（SO）封装，其管脚排列如图5所示，内部电路结构如图6所示。
MC33161内部含有两个相同结构的电压检测电路，由于各自的基准电压不同，可分别用于检测两路不同的电压，同时，MC33161的引脚7（见图6）为工作方式选择端，当接于Vcc、Vref或GND时，可完成一路过压、一路欠压，双过压，双欠压，正负電源过压、欠压等的检测，使用十分方便。
设计的故障监测电路原理图如图7所示。
如图7所示，通过将工作方式选择端引脚7接于基准参考电压引脚1Vref实现通道1同相、通道2反相的工作方式，这时通道1将作为欠电压检测电路，通道2将作为过电压检测电路。
由于MC33161内部电压比较器基准电压为1.27V，当电源组件稳压电路输出电压在正常范围且负载也没有过流时，MC33161的引脚3相当于输入“0”，故引脚5输出相当于“1”；MC33161的引脚2相当于输入“1”，故引脚6输出相当于“1”；此时，故障执行电路不动作，故障告警指示灯不亮。
当发生过压时，取样电压Vs随之升高，MC33161的引脚3相当于输入“1”，MC33161的引脚5相当于输出“0”；当发生欠压时，取样电压Vs随之降低，MC33161的引脚2相当于输入“0”，MC33161的引脚6相当于输出“0”；当发生过流时，稳压电路的过流保护会控制输出电压降低，当输出电压降低至欠压阈值时，其工作过程与欠压检测电路相同；无论是发生过压、欠压还是过流，故障执行电路均动作，组件故障告警指示灯亮起进行故障指示，并向组件外系统电路发送故障信号。
3 测试结果
在实验室条件下利用自研的二次电源综合测试平台对国产化二次电源组件进行了功能性能测试，测试结果表明，电压、电流、保护门限值、故障报警等主要功能性能均达到了设计指标要求。国产化二次电源组件功能性能指标测试结果见表1。
4 结束语
目前，该型国产化二次电源组件已通过了设计鉴定审查和军方组织的飞行靶试验证，并在部队和工厂装备修理中得到推广应用。该产品能够满足某型引进武器装备的正常使用要求，使用维护简单、方便。该型二次电源组件成功进行国产化，可解决国外技术封锁和对国外备件保障的依赖，提高国内自主可控能力，保障装备的完好率，经济和军事效益明显。
参考文献
[1] 姜广顺，冯云，曹佩武，等.某武器系统燃涡控制组合的国产化研究[J]. 兵工自动化，2012，31（4）：1-4.
[2] 曹佩武.某型雷达计算机系统电源控制组合的国产化研究[J]. 航空维修与工程，2019，336（6）：35-38.
[3] Motorola公司. MC1723数据手册[Z].
[4] Motorola公司. MC33161数据手册[Z].
[5] 方佩敏.电压调节器MC1723及其应用[J]. 电子制作，1995（4）：20-21.
[6] 沈伟，孙勇.通用电压监视器MC34161、MC33161的原理及应用[J].国外电子元器件，1999（6）：7-9.
作者简介
曹佩武，高级工程师，主要从事测控技术、装备维修保障与国产化技术研究。
冯云，高级工程师，主要从事装备维修保障、国产化备件研制以及北斗接收机研发等。
关键词：稳压；国产化；功能替代；故障监测
Keywords：voltage regulator；localization；function replace；fault monitoring
0 引言
电源是武器系统电子设备必不可少的重要组成部分，可以说电源电路是一切电子设备工作的基础，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。武器装备电源电路是一套复杂的系统，电源种类繁多，其中二次电源是将主电源电能变换为另一种形式或规格的电能装置，用以满足不同用电设备的需求，裝机数量庞大，是武器装备电源系统的重要组成部分。近年来，随着武器装备使用年限的增加，故障率逐年增多，修复率较低，备件消耗量大，备件紧缺，外购困难，严重影响了战训任务的开展。为了保证引进装备的正常使用需求，充分发挥其作战效能，开展该型二次电源组件的国产化研制势在必行。
1 原二次电源组件的功能及组成
原二次电源组件安装于某型武器系统多型装备，一套系统装机数量达70余件，主要由稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路、接插件等组成，用于根据不同的输入电压及外围电路产生+12V/1A、+27V/0.2A、+30V/1.5A等不同类型的电源，并监测自身的输出电压与电流；当输出发生过压、欠压和过流时进行故障判断和指示，并产生故障信号送至系统其他电路，切断组件输入电源，达到保护组件自身和整机系统的作用。
2 国产化二次电源组件的设计
武器系统引进时，随机资料和人员培训主要集中在装备的使用和维护方面，出于技术保护，外方没有提供任何设计方面的技术资料。如何通过逆向工程的方法获得原电源组件在不同工作状态下的激励响应信息，反推解算出组件的输入输出设计需求，是一项系统、复杂的工作。本次研制在剖析原电源组件工作原理、各组成部分功用、互相之间联系的基础上，通过大量测试、分析和验证，获取了原二次电源组件的输入输出设计需求。
2.1 研制方案的确定
原二次电源组件硬件设计采用142ЕН3、142ЕП1、1НТ251等多片集成电路作为核心单元，加以外围电路设计，电路结构复杂，原理分析困难，核心器件技术资料缺失，且无相应直接替代型谱可查，显然，采用“一一替换”的研仿模式行不通，因此必须对原二次电源组件的功能、原理研究透彻，并对组件在不同工作状态下的输入、输出信息进行系统测试、分析和处理，尽可能得到完整、准确的设计输入输出需求，采用对其进行功能替代的研制方案进行。
2.2 国产化二次电源组件组成及原理
国产化二次电源组件功能、结构尺寸、接口关系与原组件一致，电路主要由稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路等组成，国产化二次电源组件原理框图如图1所示。
国产化组件采用MC1723、MC33161、4N35等集成芯片作为核心单元，对稳压电路、故障监测电路、故障指示和保护执行电路进行了功能替代设计，实现了脉动直流电压的稳压变换以及过流、过压、欠压的监测与故障判断。当发生过流、过压、欠压故障时，产生故障信号送至组件外系统其他电路，系统根据收到的故障信号执行切断组件输入电源动作，达到保护组件自身和整机系统的作用，同时组件通过LED指示灯进行故障告警显示。
2.3 设计中解决的主要问题
1）稳压电路设计
直流稳压电源是为负载提供稳定直流电源的电子装置，随着武器系统电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性方向发展，对电子设备的供电电源提出了更高的要求。根据该型电源组件可输出多种不同规格电源和具有过流保护的要求，查阅大量器件数据资料及应用电路，选用MC1723集成芯片作为稳压电路设计的核心单元。MC1723是一种宽输入输出的正电压或负电压调节器，输出电流可达150mA，通过外接调整管可增加输出电流，工作温度范围为-55℃～125℃，输出电压为2～37V可调，线性调整率0.01%，负载调整率0.03%，短路限制电流可由电阻设定。MC1723器件有14引脚双列直插塑料及陶瓷（DIP）封装，也有贴片式（SO）封装，其管脚排列如图2所示，内部电路结构如图3所示。
电源组件要求输出+12V、+27V、+30V不同类型的电压，根据MC1723集成芯片数据手册的公式（1）、（2）、（3），本电路实际设计时，R1*为不同输出时组件外配置的固定电阻器，R2设定为20k可调电阻，R3设定为20k可调电阻，R4采用4.7Ω高精度可变电阻，外接2N6675作为调整管进行输出扩流。通过调节R2电位器可实现输出7～37V范围可调，通过R4可变电阻根据不同输出电流设置不同采样值进行过流监测。
式中，R2取值应符合10k
为了保证电源电路能够安全可靠地运行，必须设计保护电路，以便监视电源电路的工作情况，及时发现故障并切断故障组件的电源，防止事故扩大。鉴于该型电源组件要求具有过压、欠压的故障监测功能，查阅大量器件数据资料及应用电路，选用MC33161集成芯片作为故障监测电路设计的核心单元。 MC33161作为电压传感器广泛应用于电压检测电路，该器件采用双列直插式8引脚塑料及陶瓷（DIP）封装，也有贴片式（SO）封装，其管脚排列如图5所示，内部电路结构如图6所示。
MC33161内部含有两个相同结构的电压检测电路，由于各自的基准电压不同，可分别用于检测两路不同的电压，同时，MC33161的引脚7（见图6）为工作方式选择端，当接于Vcc、Vref或GND时，可完成一路过压、一路欠压，双过压，双欠压，正负電源过压、欠压等的检测，使用十分方便。
设计的故障监测电路原理图如图7所示。
如图7所示，通过将工作方式选择端引脚7接于基准参考电压引脚1Vref实现通道1同相、通道2反相的工作方式，这时通道1将作为欠电压检测电路，通道2将作为过电压检测电路。
由于MC33161内部电压比较器基准电压为1.27V，当电源组件稳压电路输出电压在正常范围且负载也没有过流时，MC33161的引脚3相当于输入“0”，故引脚5输出相当于“1”；MC33161的引脚2相当于输入“1”，故引脚6输出相当于“1”；此时，故障执行电路不动作，故障告警指示灯不亮。
当发生过压时，取样电压Vs随之升高，MC33161的引脚3相当于输入“1”，MC33161的引脚5相当于输出“0”；当发生欠压时，取样电压Vs随之降低，MC33161的引脚2相当于输入“0”，MC33161的引脚6相当于输出“0”；当发生过流时，稳压电路的过流保护会控制输出电压降低，当输出电压降低至欠压阈值时，其工作过程与欠压检测电路相同；无论是发生过压、欠压还是过流，故障执行电路均动作，组件故障告警指示灯亮起进行故障指示，并向组件外系统电路发送故障信号。
3 测试结果
在实验室条件下利用自研的二次电源综合测试平台对国产化二次电源组件进行了功能性能测试，测试结果表明，电压、电流、保护门限值、故障报警等主要功能性能均达到了设计指标要求。国产化二次电源组件功能性能指标测试结果见表1。
4 结束语
目前，该型国产化二次电源组件已通过了设计鉴定审查和军方组织的飞行靶试验证，并在部队和工厂装备修理中得到推广应用。该产品能够满足某型引进武器装备的正常使用要求，使用维护简单、方便。该型二次电源组件成功进行国产化，可解决国外技术封锁和对国外备件保障的依赖，提高国内自主可控能力，保障装备的完好率，经济和军事效益明显。
参考文献
[1] 姜广顺，冯云，曹佩武，等.某武器系统燃涡控制组合的国产化研究[J]. 兵工自动化，2012，31（4）：1-4.
[2] 曹佩武.某型雷达计算机系统电源控制组合的国产化研究[J]. 航空维修与工程，2019，336（6）：35-38.
[3] Motorola公司. MC1723数据手册[Z].
[4] Motorola公司. MC33161数据手册[Z].
[5] 方佩敏.电压调节器MC1723及其应用[J]. 电子制作，1995（4）：20-21.
[6] 沈伟，孙勇.通用电压监视器MC34161、MC33161的原理及应用[J].国外电子元器件，1999（6）：7-9.
作者简介
曹佩武，高级工程师，主要从事测控技术、装备维修保障与国产化技术研究。
冯云，高级工程师，主要从事装备维修保障、国产化备件研制以及北斗接收机研发等。