電臺(tái)電源綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)設(shè)計(jì)﹡

廖志強(qiáng)

0 引言

電源模塊是專用通信設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)部件[1]。目前，便攜式電臺(tái)通常使用鋰電池供電，車載、機(jī)載、艦載以及固定臺(tái)站電臺(tái)通常使用直流電源供電。文中涉及的電源綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)技術(shù)僅針對(duì)電臺(tái)內(nèi)部供電系統(tǒng)的保護(hù)，同時(shí)兼顧對(duì)電池或者直流電源的保護(hù)。電源的保護(hù)設(shè)計(jì)不僅對(duì)電源本身工作的安全性可靠性十分重要，對(duì)保護(hù)后續(xù)的主體電路也至關(guān)重要。電源保護(hù)的種類很多，包含防雷擊保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、極性保護(hù)、程序保護(hù)、缺相保護(hù)等等。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、靜電放電（ESD，Electro-Static discharge）保護(hù)、極性保護(hù)等多種防護(hù)措施，共同組成電臺(tái)電源綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，可靠地滿足了電臺(tái)嚴(yán)苛的應(yīng)用。

1 電臺(tái)電源綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)原理設(shè)計(jì)

過(guò)電流保護(hù)包括短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)。短路保護(hù)的任務(wù)就是必須把短路造成的危害限制在最小程度，并且在數(shù)毫秒內(nèi)檢測(cè)出來(lái)并分?jǐn)喽搪冯娏?。短路電流流過(guò)導(dǎo)體與設(shè)備元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生不良的熱效應(yīng)與電動(dòng)力效應(yīng)。過(guò)載保護(hù)的任務(wù)是必須允許正常工作的過(guò)載電流，但是當(dāng)超過(guò)允許過(guò)載時(shí)間之后，就必須分?jǐn)嚯娐贰＿^(guò)載電流會(huì)使設(shè)備元件超過(guò)允許升溫，縮短其壽命[2]。電臺(tái)內(nèi)部各模塊電路板是由各種芯片和分離器件構(gòu)成，瞬間高壓對(duì)元器件的損壞巨大，因此過(guò)壓保護(hù)電路也是必要的。欠壓工作情況下也會(huì)給線路和電器設(shè)備帶來(lái)?yè)p傷，因此欠壓保護(hù)電路也要加上。此外還有一些必要的如ESD防護(hù)、機(jī)械開關(guān)的控制保護(hù)等。

電臺(tái)電源保護(hù)電路框圖如圖1所示，整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)形成閉環(huán)，在故障出現(xiàn)的第一時(shí)間可快速自動(dòng)切斷電源輸出通道，從而有效地保護(hù)電臺(tái)主體電路，同時(shí)也有效避免給鋰電池或者直流電源帶來(lái)的危害。

圖1 電臺(tái)電源保護(hù)電路框

從圖 1可以看出有兩個(gè)過(guò)流保護(hù)，一個(gè)是電源輸入的過(guò)流保護(hù)，對(duì)整機(jī)電流進(jìn)行限制保護(hù)，另一個(gè)過(guò)流保護(hù)主要是針對(duì)電臺(tái)主體電路的動(dòng)態(tài)工作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)并保護(hù)，這是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，要求精度高，因此選專用的電流檢測(cè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 電臺(tái)電源綜合檢測(cè)保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 電源入口保護(hù)

電臺(tái)使用鋰電池時(shí)，電池連接的過(guò)程存在電壓波動(dòng)，也存在ESD風(fēng)險(xiǎn)。此外，電臺(tái)電源輸入端口處存在電壓高、電流大的特點(diǎn)，因此對(duì)電源接口處的保護(hù)是必要的。圖2是電源入口保護(hù)電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖2 電源入口保護(hù)電路

由于電臺(tái)使用中遇到過(guò)流情況時(shí)，需要及時(shí)切斷電源，因此這里選用動(dòng)作時(shí)間最快(快速保險(xiǎn)絲可在0.001 s內(nèi)斷開)的熔斷型保險(xiǎn)絲（即一次性保險(xiǎn)絲），其內(nèi)阻均忽略不計(jì)。而自復(fù)保險(xiǎn)絲的內(nèi)阻必須考慮，工作電流越大，自復(fù)保險(xiǎn)絲相應(yīng)的電損耗越大，相應(yīng)的熱噪聲越大，散熱不良累積的熱可能造成誤動(dòng)作，因此電源輸入端使用熔斷型保險(xiǎn)絲是最好的選擇。為防止反接電源造成危害，因此接地也使用了相同的一次性保險(xiǎn)絲。

靜電放電(ESD)將給電子元器件帶來(lái)?yè)p傷，引起產(chǎn)品完全失效和潛在性失效[3]。這里采用基于齊納擊穿原理但能對(duì)瞬間高尖峰電壓或電源的浪涌電壓起抑制作用的瞬態(tài)電壓抑制二極管[4]，也稱TVS管(Transient Voltage Suppressors)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的實(shí)用特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓箝制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間目前最快的可做到10-12s，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平。TVS是目前國(guó)際上普遍使用的一種高效電路保護(hù)器件，廣泛用于防雷擊、防過(guò)壓、抗干擾、吸收浪涌功率等。

2.2 機(jī)械開關(guān)控制與基準(zhǔn)電壓

機(jī)械開關(guān)具有安全、保險(xiǎn)、可靠和抗振的特性，因此它成為電臺(tái)電源開關(guān)的必選。在本設(shè)計(jì)中，機(jī)械開關(guān)仍是控制電源通斷的主要手段，但將其處理為微弱的放電通路，有效地避免了常規(guī)的直接控制高電壓大電流帶來(lái)的安全隱患?；鶞?zhǔn)電壓是輔助電壓，只能由輸入端口電壓經(jīng)過(guò)處理得來(lái)，基準(zhǔn)電壓的精度直接關(guān)系到這些系統(tǒng)的總體性能[5]。常見的設(shè)計(jì)方式是采用基準(zhǔn)電壓芯片（如 MAXIM，TI，LINEAR等有很多基準(zhǔn)電壓芯片），相對(duì)而言其輸入范圍有限，輸出基準(zhǔn)種類較少，成本較高。穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)是內(nèi)部電流在很大范圍內(nèi)變化而其兩端電壓可以近似保持不變[4]，這里充分利用了這個(gè)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓，其電壓值精確，種類繁多，成本低廉，電路簡(jiǎn)單。具體的電路如圖3所示。

圖3 機(jī)械開關(guān)控制與基準(zhǔn)電壓

在本設(shè)計(jì)中，機(jī)械開關(guān)閉合為關(guān)機(jī)，懸空為開機(jī)。這種設(shè)計(jì)在開機(jī)之前人體先有效的和地短接進(jìn)行靜電放電，再斷開開關(guān)，整個(gè)過(guò)程人體均有效的和地短接，從而有效的消除了人體靜電帶來(lái)的危害。缺點(diǎn)在于關(guān)機(jī)狀態(tài)下有一個(gè)穩(wěn)定的放電通路：圖 3中的1號(hào)通路。關(guān)機(jī)的放電通路由普通的高壓二極管和高阻值電阻，開關(guān)共同組成 (防止電源板一直處于高壓狀態(tài)，產(chǎn)生安全隱患)，放電電流約50 uA(遠(yuǎn)小于鋰電池的自放電率)。同時(shí)防止從開關(guān)傳入的靜電或者其他串入的電壓倒流影響輸入電壓。圖3的4號(hào)通路上有兩個(gè)單向TVS管，起穩(wěn)壓作用和ESD放電的作用。機(jī)械開關(guān)懸空時(shí)，4號(hào)通路的穩(wěn)壓管產(chǎn)生VGS從而使MOS管導(dǎo)通，3號(hào)通路進(jìn)而將2號(hào)通路的MOS管導(dǎo)通，從而產(chǎn)生關(guān)鍵的輔助電壓V2。由V2產(chǎn)生整個(gè)電源板所需的基準(zhǔn)電壓以及產(chǎn)生過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)﹑過(guò)流保護(hù)所需的工作電壓，控制總電源軟開關(guān)電路所需的工作電壓。

V2通過(guò)高值電阻后并接一個(gè)2.5 V的高精度穩(wěn)壓二極管和一個(gè)濾波電容，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓2.5 V。這個(gè)基準(zhǔn)電壓是后面一系列保護(hù)電路的基準(zhǔn)電壓。

V2通過(guò) LR645N8產(chǎn)生保護(hù)電路的工作電壓+10V_REG。由于工作電流小，因此選用很常見的SMPS(開關(guān)模式電源)，其輸入范圍很大（一般可達(dá)100 V以上），是小電流二次電源的理想選擇。

2.3 過(guò)壓欠壓過(guò)流保護(hù)

低壓保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路未采用常規(guī)的專用電壓保護(hù)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)而使用常見的運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。其工作原理是對(duì)需要檢測(cè)的電壓采用電阻分壓的方式采樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，從而輸出控制信號(hào)。過(guò)流保護(hù)也采用這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流采樣信號(hào)由電流檢測(cè)芯片提供。這種方式只需改變配置電阻，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電壓的監(jiān)測(cè)，不僅可以用作過(guò)壓欠壓保護(hù)，也可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，還可以作為報(bào)警控制信號(hào)來(lái)使用。其可靠性高，成本低廉，應(yīng)用廣泛。整個(gè)電路如圖4所示。

圖4 過(guò)壓欠壓過(guò)流保護(hù)電路

運(yùn)放選用 ON Semiconductor 的寬輸入單電源低功耗集成運(yùn)放 LM2901，單芯片包含四路運(yùn)放單元[6]。設(shè)計(jì)中各單元分別實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路。基準(zhǔn)電壓為 2.5 V(圖 3的穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生)。欠壓與過(guò)壓保護(hù)電路均對(duì)V2(圖 2產(chǎn)生)進(jìn)行采樣。通過(guò)電阻的配置來(lái)設(shè)置保護(hù)電壓值。這里根據(jù)鋰電池的參數(shù)來(lái)進(jìn)行配置。

過(guò)壓保護(hù)電路的電壓采樣輸入端在運(yùn)放正極，一旦達(dá)到過(guò)壓值34.1 V，運(yùn)放輸出為高，過(guò)壓通道的MOS管導(dǎo)通，電源開關(guān)控制信號(hào)PW_SWITCH變低，從而關(guān)斷電源開關(guān)。欠壓保護(hù)電路的采樣輸入端也在運(yùn)放正極，正常情況下輸出為高，一旦電壓值達(dá)到17.5 V，則輸出變低,從而使MOS管截止，從而觸發(fā)晶閘管開關(guān)，使電源開關(guān)控制信號(hào) PW_SWITCH變低從而關(guān)斷電源開關(guān)。過(guò)流保護(hù)采樣電路輸入在運(yùn)放負(fù)極，根據(jù)電流檢測(cè)芯片在過(guò)流時(shí)的輸出信號(hào)幅度對(duì)2.5 V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓以作比較，過(guò)流時(shí)觸發(fā)保護(hù)過(guò)程與欠壓保護(hù)過(guò)程完全一致。三個(gè)保護(hù)電路只要觸發(fā)一個(gè)，就會(huì)將開關(guān)控制信號(hào)PW_SWITCH拉低，使圖5的電壓輸出MOS截止，從而關(guān)掉主體電路的電源輸入。

這里值得注意的是由于電阻值與標(biāo)稱值的偏差會(huì)導(dǎo)致保護(hù)電壓有所偏差，因此在選擇電阻時(shí)盡量選擇高精度的電阻（最差也要選F精度），此外根據(jù)電阻的偏差范圍可以進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，適當(dāng)將保護(hù)電壓值提高或降低一點(diǎn)，以更好地保護(hù)電路和電源。

2.4 電源開關(guān)與電流檢測(cè)

由于本設(shè)計(jì)中機(jī)械開關(guān)并未直接控制電源的通斷，這里利用功率MOS管的耐壓耐流以及良好的開關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的控制。同時(shí)增加極性保護(hù)設(shè)計(jì)、防倒流保護(hù)。電流檢測(cè)根據(jù)實(shí)際使用情況采用專門的電流檢測(cè)芯片，其輸出電壓信號(hào)顯示過(guò)流情況。詳細(xì)電路如圖5所示。

圖5 電源開關(guān)與電流檢測(cè)

3 結(jié)語(yǔ)

電源保護(hù)設(shè)計(jì)在所有的電路系統(tǒng)中都存在，對(duì)線路板的保護(hù)作用不可忽視，對(duì)電池的保護(hù)也是顯而易見。本設(shè)計(jì)采用綜合檢測(cè)保護(hù)技術(shù)，整個(gè)保護(hù)鏈路形成閉環(huán)，由硬件自動(dòng)完成。電源保護(hù)處理速度取決于集成芯片和MOS管的物理開關(guān)速度，速度快（ns級(jí)），可靠性高，性能和成本均遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的程序控制保護(hù)電路。電臺(tái)電源設(shè)計(jì)中采用電阻分壓方式對(duì)源電壓進(jìn)行過(guò)壓檢測(cè)與欠壓檢測(cè)，采用相同的電路架構(gòu)對(duì)過(guò)流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在具體的電源保護(hù)試驗(yàn)中，在過(guò)流、過(guò)壓等情況下，該系統(tǒng)均能快速可靠切斷電源；欠壓時(shí)也能快速切斷電源；如果一直處于欠壓狀態(tài)，則無(wú)法開機(jī)。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，該保護(hù)系統(tǒng)可自動(dòng)快速精確的完成對(duì)電源的各種異常狀態(tài)的保護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，滿足使用要求。

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