学文网摘要：随着航空技术的不断进步，为应对更严苛的应用场景和更复杂的功能要求，对机载计算机的性能要求和参数限制越发严格。机载计算机中的供电系统部分，其供电能力、可靠性和故障处理能力对整机的性能有着重要影响；其重量、功耗和体积等参数占据整机指标的重要部分。为更好地细化和优化整机设计，提出了一种针对计算机供电系统的硬件设计方案。该方案的供电部分利用电源模块实现输入电源转化为隔离二次电源，利用各功能模块内部的电源转化芯片实现二次电源转化为三次电源。监控部分通过电源监控电路来实现重要电源的状态监控及相应中断、复位信号的产生；通过数模转换及数字信号监控实现对电源伏值及电压转换芯片工作状态的监控。经实测验证，提出的供电系统设计方案具备支持机载计算机整机上电工作、电源状态实时监控、故障掉电处理的能力，并在此基础上支持自检测。
关键词：计算机；供电系统；硬件设计；监控检测
1概述
在新一代机载计算机的研发过程中，考虑到五代机的应用场景和功能要求，为提高飞机性能，对机载计算机运行、通信速率，工作可靠性的要求不断提高；其重量、功耗和体积的限制也在不断严格[1]。在此背景下，机载计算机的供电系统的供电能力、隔离要求、供电电压需求越来越严格复杂；对其可靠性、故障处理能力及自检测功能的要求越来越精确细化。因此，在整机硬件设计过程中，供电系统的设计受到相当程度的关注，对相应硬件设计的细化和优化是整机设计追求的重要部分[2]。基于机载计算机关于电源供电系统的应用需求，提出了一种针对计算机供电系统的硬件设计方案。详细介绍了该设计方案的整体结构框架、主要的功能构成部分，及相应的功能实现方案。在此基础上，根据硬件模块的划分，分别介绍了各硬件模块内所实现的供电相关的功能部分及各功能部分的设计实现方案。最后，总结了此方案的设计框架并简述了其实际表现。
2整体结构
目前，机载计算机的硬件结构主要由处理器功能部分、输入输出总线功能部分、母板功能部分及电源功能部分组成，分别实现：数据接收、处理、计算、存储及通信功能；输入输出信号处理、收发及工作状态检测监控功能；机箱连接器信号输入输出及模块间信号传输功能；外来输入电源滤波及转换功能。在此硬件结构背景下，计算机供电系统的整体结构框***如***1所示。由***1整体框架可见，文中所述的计算机供电系统主要可以分为两个功能部分：第1部分为供电转换部分，即外来输入转换为内部二次、三次电源向各用电硬件供电的功能部分；第2部分为供电状态监控部分，即对各电源状态进行监控并支持自检测的功能部分。计算机供电系统的各功能部分的实现设计方案将在下文中详细介绍。为避免重复描述各功能部分具体由哪个硬件模块实现，不按照供电、监控的功能划分去分节描述，而是对各硬件模块中实现的供电系统功能进行分节介绍。值得注意的是，所描述的供电系统实现方案建立在部分需求及硬件制约下，因此部分功能的实现方式仅为一种特定的实现方案并非必需的唯一方法，具体实现方法描述中不再重复强调设计方案的非唯一性。
3电源功能模块
电源功能模块结构***如***2所示。外来供电输入后，经供电转换相关电路转换为三路相互隔离且均与源端隔离的供电输出，分别为数字电源A、数字电源B及模拟电源，用于其他硬件模块的供电输入。电源功能模块中同时还集成有外来供电输入的电源监控部分，此部分电路对外来供电输入进行监控。向外输出外来供电输入监控信号，用以指示外来供电输入的状态。同时，此部分功能还支持自检测。当外来的供电监控测试激励到来时，将电源监控中的外来供电输入状态做相应改变，进而实现电源监控的自检测功能。值得一提的是，外来供电输入监控信号及供电监控测试激励信号均需要与电源模块中相对强电的部分进行隔离，用以防止强电干扰，通过此两条信号耦合至其他硬件部分。
4总线部分供电系统
输入输出模块（IOM）中供电系统相关的硬件结构***如***3所示。IOM中，输入供电电源可以分为数字电源及模拟电源。数字电源中的数字电源A不是IOM的供电电源，而仅作为监控输入IOM。模拟电源输入后不进行电压变换，仅作为集成运放、比较器、多路选通器等输入处理模拟信号的芯片供电电源。数字电源B输入后，直接给所需供电芯片供电，同时，通过非隔离电源转换芯片及相应功能电路转换为模块内所需的不同电压的数字电源供电。IOM中，集成着用于监控电源状态的电源监控电路。此部分电路只监控机箱外输入供电及各模块所需的供电输入。在设计中，分为数字电源A和B、模拟电源及外来电源。外来电源在电源模块中已经进行了监控比较，此处输入为一个数字信号，进入监控电路后，通过两级比较器间加入阻容延迟电路实现延迟触发。当外来电源掉电时间小于此阻容延迟时，第二级比较器不触发，电源监控电路不输出掉电状态，实现短时掉电的忽略。两级比较器后，外来电源掉电信号输出一路进入接收处理电路进行观察，同时继续进入锁存电路，当掉电时间超过阻容延迟时，外来电源掉电信号发生跳变并被锁存进锁存电路中，锁存电路的输出信号作为外来电源中断信号，输出给本模块的接收处理电路并经保护输出给处理器模块，此信号用于在整体电路复位前，通知处理器进入中断，执行相应的掉电前工作，例如将必要信息存入非易失性存储器等。同时，中断信号再经一级延迟电路，输出为外来电源复位信号，进入接收处理电路及逻辑电路，最终生成为掉电复位信号。用于掉电前的整机状态复位。值得注意的是，锁存电路可以被外来电源复位信号重新复位，仅当外来电源掉电信号恢复，且外来电源复位信号输出为复位时。此功能可以用于掉电时间足够触发监控电路，且当外来电源复位信号触发后，外来电源掉电恢复正常时，恢复整机正常工作。模拟电源直接输入进电源监控电路，在其中利用比较器及相关功能电路滤波延迟后，输出模拟电源有效信号进入接收处理电路进行观察。模拟电源不作为各模块的主要供电电源，监控到掉电时不进行复位，只进入相应电路进行观察。数字电源A、B直接进入电源监控电路，经与模拟电源相似的处理后，输出相应有效信号。有效信号进入接收处理电路进行观察，并进入逻辑电路产生复位信号。设计中，数字电源B有效与外来电源复位相与，作为数字电源B掉电复位信号，数字电源A与数字电源B掉电复位相与，作为数字电源A掉电复位信号。最终，中断及复位信号经保护电路，输出至模块外部。此部分逻辑电路具体如何实现，可根据实际需求进行，在此所描述的方法仅为一种实现方案。上述四路监控，均可通过内部自激励信号检测是否可以正常工作。由接收处理电路发出激励信号，经保护电路输入至电源监控电路，此输入经比较器后，比较器输出与四路被检测信号跨电阻相连。正常状态下比较器为开路，不影响监控电路正常工作。当激励信号使能后，比较器输出置低，将被检测信号拉低，进而实现监控电路自检测功能。值得注意的是，此处的自激励信号可以通过延迟反向后与自己相与的方式，将激励信号由置高转换为置高一段延迟后自动置低。防止出现激励后，整体电路复位，激励信号不受控导致无法将掉电激励重新置低的情况。IOM还具有各电源电压值监控的功能，将各电源及外来输入、内部转出的3次电源，利用集成运放及电阻分压电路降至AD转换电路可接受的输入范围。之后输入AD转换电路，输入的模拟量经转换，输出为数字量，进入接收处理电路。AD转换电路可以使用精度较高的AD转换芯片，资源占用较高但采集效果较好。也可以使用可编程逻辑芯片自身集成的AD转换功能，资源占用较低但采集效果略差。此处的取舍需根据具体设计需求确定，当使用可编程逻辑芯片进行AD采样时，应特别注意该可编程逻辑芯片的AD引脚的输入电压限制，此限制可能低于一般的I/O引脚可承受的电压值，且高于此输入电压限制可能会导致可编程逻辑芯片的损坏，造成较大不良影响。此外，IOM模块内部也对各3次电源转换芯片的PGOOD信号进行监控，将各电源转换芯片的PGOOD信号输入至接收处理电路，实现对各内部电源转换芯片工作状态的监控。上述的各种不同信号进入接收处理电路后，进行存储及逻辑处理，产生相应的状态及控制信号，同时与处理器模块相互通信。处理器模块可以通过与接收处理电路通信实现对这些监控状态及测试激励的访问及处理。
5处理器部分供电系统
处理器模块中供电系统相关的硬件结构***如***4所示。数字电源A输入后，直接向模块供电并通过受控及不受控电源转换芯片转换为模块内部芯片所需要的供电电压向模块供电。此处的受控电源指受上电时序控制电路控制上电时间的电源转换芯片。当模块内有用电芯片需要特定的上电时序才能正常启动时，需要使用此种供电方式，通过上电时序控制电路，控制各受控电源转换芯片的RUN信号的使能时间，进而控制各电源转换芯片的开始工作时间，实现特定上电时序的功能需要。处理器模块中的电源监控电路由电源电压值监控及PGOOD信号状态监控两部分组成，此处设计方案与第三节中相应内容设计方案一致。处理器模块中，信号接收处理电路除接收来自IOM模块中的复位，中断信号并与IOM通信外，同时还与处理器进行通信，实现处理器对模块内的电源相关信号的访问和处理功能，并进一步通过此通信通路访问IOM中的信号接收处理电路。
6结语
提出了一种针对计算机供电系统的硬件设计方案。该方案的供电部分利用电源模块实现输入电源转化为隔离二次电源，利用IOM及处理器模块内部的电源转化芯片实现二次电源转化为三次电源，进而实现整机供电。监控部分通过IOM中的电源监控电路及电源，处理器模块的辅助来实现重要电源的状态监控及相应中断，复位信号的产生；通过处理器及IOM内部数模转换及数字信号监控实现对电源电压值及电压转换芯片工作状态的监控；通过处理器及各模块中的信号接收处理电路间的相互通信实现对电源相关信号的访问和处理。经实测验证，所提出的供电系统设计方案具备支持机载计算机整机上电工作、电源状态实时监控、故障掉电处理的能力，并在此基础上支持电源监控及故障处理功能的自检测。
作者：张东昕 段小虎 齐宇心 单位：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所
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