一種針對GJB181過壓浪涌要求的保護(hù)電路設(shè)計

謝記華，王偉曉，范景林

（洛陽電光設(shè)備研究所 河南 洛陽 471009）

隨著質(zhì)量管理理念的不斷深入，各行業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)的符合要求也越來越高，產(chǎn)品出廠前必須通過各項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗、國軍標(biāo)相關(guān)試驗等。GJB181-86（被GJB181A-2003替代，但因GJB181-86要求比GJB181A要求更嚴(yán)格，現(xiàn)在很多單位仍在按GJB181進(jìn)行檢測，本文提到的GJB181為GJB181-86）《飛機(jī)供電特性及對用電設(shè)備的要求》中專門對機(jī)載設(shè)備的供電種類，供電特性及對飛機(jī)上的用電設(shè)備提出了專項要求。功率MOSFET及控制電路所組成的保護(hù)電路被廣泛應(yīng)用于該要求中，該保護(hù)電路可以在電子設(shè)備輸入電壓過高時，把輸入電壓箝位到一個安全的輸入范圍內(nèi)。文中利用MOSFET的這一特性，對滿足GJB181中輸入28.5 V直流的供電體制的過壓浪涌（80 V/50 ms）保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計、分析和驗證。并對滿足輸入115 VAC/400 Hz的過壓浪涌 （180 V/100 ms）的設(shè)計電路進(jìn)行了介紹。

GJB181-86中要求過壓浪涌時設(shè)備不發(fā)生任何故障。但對于不同的機(jī)載設(shè)備，不發(fā)生任何故障的定義不同。例如對于一些設(shè)備，無故障視為不損壞，但對于一些要求比較高的設(shè)備，要求在過壓浪涌過程中必須正常工作（例如如軍用計算機(jī)），以防數(shù)據(jù)丟失。文中介紹一種可在過壓浪涌過程中保證用電設(shè)備正常工作的電路設(shè)計。

1 MOSFET的介紹

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管[1]（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor， MOSFET）。 它是由金屬、氧化物（SiO2或SiN）及半導(dǎo)體3種材料制成的器件。所謂功率MOSFET（Power MOSFET）是指它能輸出較大的工作電流（幾安到幾十安），用于功率輸出級的器件[2]。

MOSFET 共有 3 個腳，一般為 G、D、S，通過 G、S 間加控制信號時可以改變D、S間的導(dǎo)通和截止。它的柵極-源極間電阻很大，可達(dá)10GΩ以上[3]。功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、噪聲低、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點(diǎn)[4]。目前，功率MOSFET的指標(biāo)達(dá)到耐壓600 V、電流70 A、工作頻率100 kHz的水平，在開關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小功率電機(jī)調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用，又因其集成化是工藝簡單，可以使功率變換裝置實現(xiàn)高效率和小型化。

2 GJB181過壓浪涌要求介紹

浪涌：由電源系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)及調(diào)節(jié)器的校正作用所引起的某一特性偏離受控穩(wěn)態(tài)值的變化。

過壓浪涌要求：用電設(shè)備應(yīng)經(jīng)受5次過壓浪涌，每次過壓浪涌間隔的時間為1 min[5]。

過壓浪涌方法：首先使用電設(shè)備在正常穩(wěn)態(tài)下供電，然后使正常用電設(shè)備輸入電壓增加到標(biāo)準(zhǔn)要求的電壓（80 V），最后輸入電壓恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)電壓。

過壓浪涌后設(shè)備不應(yīng)發(fā)生任何故障。

3 電路設(shè)計

設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計框圖Fig.1 Schematic diagram of the design

電路原理介紹：該DC-DC轉(zhuǎn)換模塊輸入最高電壓為40 V DC，本設(shè)計中的箝位電路將U3設(shè)定為36 V左右。按照GJB181中B類供電設(shè)備要求，正常輸入范圍為25～30 V，當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定值U3時，MOS管V1處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源正常工作。當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定值U3時，V1處于箝位狀態(tài)，此時N1輸入端電壓U2=U3-UG-S（處于箝位狀態(tài)時，UG-S電壓只有0.3 V左右），因U3設(shè)定在N1正常工作范圍內(nèi)，所以此時電源可以正常工作?；谏鲜鲈?，當(dāng)機(jī)載設(shè)備輸入過壓浪涌80 V/50 ms時，后端用電設(shè)備的輸入電壓被箝位在U2=U3-UG-S，因U3在設(shè)備的正常工作電壓范圍內(nèi)，從而可以保證后端用電設(shè)備的正常工作。

主要參數(shù)選擇：

MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)時：

MOSFET實際最大耗散功率：

式中：RDS（on）——MOSFET導(dǎo)通電阻

電路試驗：

1）電源在正常工作條件下，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時：

①試驗條件：輸入U1為額定28.5 VDC；輸出功率按10%額定功率、50%額定功率、額定功率3種情況進(jìn)行測試；測試中I1由電流表測得，U2由萬用表測得，本設(shè)計中MOSFET導(dǎo)通電阻 RDS（on）為 60 mΩ。

②試驗結(jié)果：試驗結(jié)果如表1所示。

表1 正常工作時U2的電壓值Tab.1 The voltages of U2 in normal state

從表 1 中可以看出，U2=U1-（I1×RDS（on）），與公式 2 相符合。

2）當(dāng)輸入有過壓浪涌，MOSFET處于箝位狀態(tài)時：

（在實驗室模擬浪涌情況，因模擬開關(guān)的時間誤差，每次浪涌的時間會有差別，該實驗中保證每次浪涌時間不低于 50 ms）：

①試驗1：測試輸入過壓浪涌時，輸出電壓的變化情況：

試驗條件：輸入為28.5V，輸出各路為額定負(fù)載。示波器通道1接輸出5 V，示波器通道2接輸入，過壓浪涌為80 V/53 ms。

試驗結(jié)果：測試波形如圖2所示。

圖2 過壓浪涌時U1、U o波形圖Fig.2 Waveforms of U1 and U o of overvoltage surge

從上圖中可以看出，當(dāng)輸入過壓浪涌時，電源輸出5 V保持不變。此項試驗證明在輸入過壓浪涌狀態(tài)下，由于過壓浪涌保護(hù)電路的作用，電源輸出正常，電壓后端設(shè)備能正常工作。

②試驗2：測試輸入過壓浪涌時，U2的變化情況

試驗條件：輸入為28.5 VDC，輸出各路設(shè)定為額定負(fù)載。示波器通道1接DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，檢測U2，示波器通道2接電源的輸入端，過壓浪涌為80 V/60 ms。

試驗結(jié)果：測試波形如圖3所示。

圖3 U1、U2波形圖Fig.3 Waveforms of U1 and U2

從圖3中可以看出，當(dāng)輸入過壓浪涌80 V/60 ms時，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入保持在設(shè)定值U3，為36 V，從而保證了DC-DC轉(zhuǎn)換器的正常工作。

4 設(shè)計擴(kuò)展

4.1 如何提高產(chǎn)品可靠性

1）在該設(shè)計中，除選擇滿足要求的高可靠性的器件外，MOSFET的散熱是關(guān)鍵。在設(shè)計中，應(yīng)保證MOSFET散熱良好，并固定牢靠。在本設(shè)計中采用MOSFET緊貼機(jī)殼的傳導(dǎo)散熱方式，并通過螺釘使MOSFET與印制板、機(jī)殼固定牢靠。

2）在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際負(fù)載情況計算MOSFET的最大功耗（式3），并保證 P≤PD（PD為MOSFET能承受的最大功率）。

3）當(dāng)單只MOSFET功率降額不滿足要求時，可以采用MOSFET直接并聯(lián)的方式增加該保護(hù)電路的使用功率[6]。

4.2 在其他輸入種類時的應(yīng)用

當(dāng)機(jī)載用電設(shè)備輸入電壓為115 VAC 400 Hz時，該電路輸入接在整流濾波電路之后，通過改變箝位電路中箝位電壓U3的設(shè)定，并選擇更高耐壓的MOSFET，可使該設(shè)計滿足交流供電設(shè)備180 VAC/100 ms浪涌時，設(shè)備正常工作的要求。

5 結(jié) 論

通過理論分析和試驗測試及在實際機(jī)載電源的應(yīng)用中可以看出，此保護(hù)電路的設(shè)計完全可以滿足GJB181-86《飛機(jī)供電特性及對用電設(shè)備的要求》中的兩種不同供電體制下對過壓浪涌的要求，通用性強(qiáng)，通過設(shè)定不同的電壓檢測值U3及選用相應(yīng)耐壓的MOSFET，可適用各種輸入的用電設(shè)備，大大提高了機(jī)載設(shè)備的可靠性，并保護(hù)了后端用電設(shè)備的安全。該設(shè)計電路已被廣泛應(yīng)用在機(jī)載用電設(shè)備的保護(hù)前端。

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[3]孫肖子，談文心.電子線路基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1996.

[4]張慶雙.555應(yīng)用電路精選[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]王紅霞.GJB181-86飛機(jī)供電特性及對用電設(shè)備的要求[S].北京：國際科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1986.

[6]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，1999.