載機(jī)電源適應(yīng)性設(shè)計(jì)*

王志剛　張　崇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所　宜昌　443003)

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載機(jī)電源適應(yīng)性設(shè)計(jì)*

王志剛張崇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所宜昌443003)

摘要針對(duì)機(jī)載電子產(chǎn)品大多需滿(mǎn)足GJB181的要求，論文對(duì)載機(jī)電源特性設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，介紹了載機(jī)電源過(guò)壓浪涌、尖峰脈沖的特點(diǎn)以及TVS管工作原理，論述了耐過(guò)壓浪涌和耐尖峰脈沖電路的設(shè)計(jì)原則和方法。結(jié)合機(jī)載電子產(chǎn)品電源適應(yīng)性需求，詳細(xì)介紹了一種耐過(guò)壓浪涌和尖峰脈沖電路設(shè)計(jì)。最后通過(guò)分析和實(shí)測(cè)，表明該電路能夠有效抑制載機(jī)電源產(chǎn)生的過(guò)壓浪涌和尖峰脈沖，從而順利通過(guò)供電特性測(cè)試。

關(guān)鍵詞GJB181; 電源特性; 過(guò)壓浪涌; 尖峰脈沖

Class NumberTN702

1引言

載機(jī)在飛行和執(zhí)行任務(wù)期間，機(jī)上供電系統(tǒng)會(huì)因?yàn)閳?zhí)行某種預(yù)定的工作任務(wù)而發(fā)生瞬態(tài)負(fù)載特性的變化，如:用電設(shè)備的通斷、主發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化、匯流條轉(zhuǎn)換或者電源的同步和并聯(lián)等，這時(shí)，系統(tǒng)電壓出現(xiàn)“電壓瞬態(tài)”[1]。電壓瞬態(tài)包括轉(zhuǎn)換工作時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰和浪涌等。短時(shí)的瞬態(tài)電壓(浪涌電壓和尖峰電壓)大大地超過(guò)穩(wěn)態(tài)電源電壓，可能使整個(gè)系統(tǒng)停頓、通信中止，當(dāng)它加載到用電設(shè)備的芯片上時(shí)，往往造成誤操作和芯片的損壞。因此，機(jī)載產(chǎn)品的電源模塊必須要能抵抗浪涌電壓和尖峰電壓。

2載機(jī)電源特性要求

GJB181-1986《飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求》，規(guī)定了飛機(jī)電氣系統(tǒng)中用電設(shè)備輸入端的供電特性，同時(shí)也對(duì)采用本特性供電的用電設(shè)備給出了相關(guān)要求，主要包括耐尖峰電壓、耐過(guò)壓浪涌、耐欠壓浪涌和瞬時(shí)斷電要求。

低壓直流電源系統(tǒng)主要由直流發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器、保護(hù)器和濾波器等組成，當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在額定負(fù)載時(shí)，由于某種原因負(fù)載突然斷開(kāi)，或主要的大負(fù)載突卸，會(huì)引起發(fā)電機(jī)匯流條電壓短時(shí)升高，產(chǎn)生過(guò)壓浪涌；過(guò)壓浪涌如圖1所示，過(guò)壓80V，持續(xù)時(shí)間50ms，過(guò)壓浪涌是間歇性的，電路大部分時(shí)間工作在額定輸入范圍內(nèi)。

在飛機(jī)電源系統(tǒng)中，用電設(shè)備存在電感和電容等儲(chǔ)能元件，在電源接通和斷開(kāi)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓和尖峰電壓，特別是在感性負(fù)載斷開(kāi)和繼電器轉(zhuǎn)換過(guò)程中，形成幾百伏、甚至上千伏的尖峰電壓。同時(shí)，外界的雷電放電會(huì)在飛機(jī)的周?chē)⑵鹱兓碾姶艌?chǎng)，電磁場(chǎng)能夠通過(guò)金屬蒙皮，或者直接穿透孔洞或其他非金屬部位。由于場(chǎng)隨時(shí)間變化，因此會(huì)在飛機(jī)內(nèi)部的電路中感應(yīng)產(chǎn)生瞬時(shí)的尖峰電壓。GJB181要求用電設(shè)備應(yīng)能通過(guò)直流電源線上的600V/10μs正、負(fù)極性的尖峰信號(hào)[2～4]。尖峰脈沖特性如圖2所示。

圖1　過(guò)壓浪涌

圖2　尖峰脈沖

3設(shè)計(jì)原理

3.1耐過(guò)壓浪涌電路

對(duì)于過(guò)壓浪涌，給出了如圖3所示的耐過(guò)壓浪涌電路。在額定輸入時(shí)，輸入側(cè)通過(guò)電阻R給三極管提供基極電流，三極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入側(cè)發(fā)生過(guò)壓浪涌時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，輸出電壓為穩(wěn)壓值減去三極管發(fā)射結(jié)壓降(通常為0.7V)。為了防止發(fā)生過(guò)壓浪涌時(shí)，流過(guò)電阻R的電流過(guò)大，電阻R的取值較大。

該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于三極管的導(dǎo)通壓降，電路在額定輸入時(shí)，損耗較大。如額定輸入28V，輸出電流10A，如果功率三極管的導(dǎo)通壓降為2V，那么在額定輸入情況下，三極管的損耗就有20W。由于R值較大，在額定輸入情況下，基極電流較小，要使電路輸出較大的電流，三極管的放大倍數(shù)應(yīng)選得很大[5]。

圖3　耐過(guò)壓浪涌電路

3.2耐電壓尖峰設(shè)計(jì)

處理瞬時(shí)脈沖電壓對(duì)器件損害或電路功能影響的最好辦法就是將瞬時(shí)電流從敏感器件或電路旁引開(kāi)，常用的尖峰抑制器件主要是瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS管)。TVS利用其PN結(jié)的反向特性對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)，當(dāng)施加電壓在一定范圍內(nèi)時(shí)，TVS呈高阻狀態(tài)，當(dāng)施加電壓增加到某一值時(shí)，反向電流急劇增加并把電壓鉗位在預(yù)定的電壓。其主要參數(shù)有:擊穿電壓VBR、鉗位電壓VC、最大反向工作電壓VWM以及脈沖峰值功率PPP。低于擊穿電壓VBR是不會(huì)發(fā)生雪崩的，最大反向工作電壓VWM是在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，一般VWM=(0.81～0.85)VBR。此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近。圖5表明當(dāng)瞬時(shí)脈沖峰值電流出現(xiàn)時(shí)，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。因此，TVS器件能夠抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護(hù)電子線路[6～10]。

圖4　單向TVS二極管的伏安特性曲線

圖5　脈沖功率與時(shí)間曲線

3.3尖峰電壓的信號(hào)特征

4設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果

飛機(jī)在采用機(jī)載供電系統(tǒng)供電時(shí)，其輸出范圍為23V～32V；采用蓄電池供電時(shí)，電壓范圍為18V～24V[4]。按照GJB181要求，所有載機(jī)產(chǎn)品均要求能夠適應(yīng)載機(jī)電源特性。結(jié)合產(chǎn)品供電特性，要求能夠?qū)w機(jī)輸出電壓穩(wěn)定在25V±1V左右，該電壓值能夠滿(mǎn)足大部分機(jī)載產(chǎn)品工作要求。

穩(wěn)壓電路采用分級(jí)形式設(shè)計(jì)，共分為三級(jí)，如圖6所示。第一級(jí)是預(yù)穩(wěn)壓電路，主要作用是將機(jī)載電源產(chǎn)生的過(guò)壓浪涌和尖峰脈沖穩(wěn)定在50V以下輸出給下一級(jí)；第二級(jí)是降壓電路，主要作用是將第一級(jí)的輸出電壓降到28V左右輸出給下一級(jí)；第三級(jí)是升壓穩(wěn)壓電路，其主要作用是將輸入電壓穩(wěn)定在25V。

圖6穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)原理圖

穩(wěn)壓電路的第一級(jí)主要由TVS管、穩(wěn)壓管、電阻和達(dá)林頓三極管組成一個(gè)預(yù)穩(wěn)壓電路，如圖7所示。

圖7　第一級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路

其中V1、V2為兩只TVS管，最大擊穿電壓為105V，鉗位電壓為137V，尖峰電流為11A，瞬間功率為1500W，并聯(lián)使用時(shí)耐受功率加倍。V3為穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值在50V～52V之間，功率為1.5W。V6為達(dá)林頓三極管，VCEO=350V，VCBO=700V，Hfe=300～2000，VCE(sat)=1.5V，VBE(sat)=2V，可過(guò)電流4A。第一級(jí)的作用是將80V/50ms過(guò)壓浪涌和600V/10μs尖峰脈沖穩(wěn)定在后級(jí)的65V輸入電壓范圍之內(nèi)。

三極管VCB≈VCE=137-52=85V<350V，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。經(jīng)過(guò)第一級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路最終可以把電壓穩(wěn)定的50左右。80V過(guò)壓浪涌經(jīng)第一級(jí)預(yù)穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定如圖8所示，600V尖峰脈沖經(jīng)第一級(jí)預(yù)穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定如圖9所示。

圖8　80V過(guò)壓浪涌輸入時(shí)第一級(jí)輸出波形圖

圖9　600V尖峰脈沖輸入時(shí)第一級(jí)輸出波形圖

穩(wěn)壓電路的第二級(jí)主要使用BUCK型的開(kāi)關(guān)芯片LM2576HVS，和外圍元器件組成一個(gè)降壓電路，其電路圖如圖10所示。

此芯片的輸入范圍為3V～65V，帶負(fù)載能力為3A。最終的輸出電壓計(jì)算公式為:Vout=1.23*(1+R2/R3)=25.8V，滿(mǎn)足后級(jí)的4.5V～36V的輸入范圍，實(shí)際測(cè)量輸出為26V左右。

穩(wěn)壓電路的第三級(jí)級(jí)使用BUCK-BOOST型的集成芯片LTM4609和外圍元器件組成一個(gè)穩(wěn)壓電路，其電路圖如圖11所示。

圖10　第二級(jí)降壓電路圖

圖11　第三級(jí)升壓穩(wěn)壓電路圖

圖12　耐過(guò)壓浪涌測(cè)試波形

圖13　耐尖峰脈沖測(cè)試波形

實(shí)測(cè)過(guò)程中，在穩(wěn)壓電路第一級(jí)輸入端加入18V～32V電壓時(shí)，第三極輸出端可得到25V穩(wěn)定輸出；在第一級(jí)輸入80V/50ms過(guò)壓浪涌時(shí)，第三級(jí)輸出端可得到25V穩(wěn)定輸出，如圖12所示。在穩(wěn)壓電路第一級(jí)輸入600V/10μs尖峰脈沖時(shí)，在第三級(jí)輸出端存在24～26V/160μs抖動(dòng)，如圖13所示。因此，該電路設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足使用要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)載機(jī)電源的特性分析了耐過(guò)浪涌電壓和耐尖峰脈沖電路的設(shè)計(jì)原則和方法。結(jié)合機(jī)載產(chǎn)品供電需求，詳細(xì)介紹了一種分級(jí)設(shè)計(jì)的浪涌電壓和尖峰脈沖抑制電路。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，升壓和降壓選用集成芯片，元器件體積小，性能穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，此電路的浪涌和尖峰抑制性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以廣泛應(yīng)用于各種機(jī)載產(chǎn)品浪涌抑制和尖峰脈沖抑制的設(shè)備上。

參 考 文 獻(xiàn)

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Adaptation Design of Aircraft Power

WANG ZhigangZHANG Chong

( No.710 Research Institute of CSIC, Yichang443003)

AbstractMost aircraft electronic equipment need to meet the demand of GJB181, to address this issue, the characteristic of the aircraft power is analyzed, the characters of surge, peak pulse and the operating principle of TVS (Transient Voltage Suppressor) are described, the principles and the methods are discussed to design the circuit of surge and peak pulse suppression. Combined with the adaptation of aircraft electronic equipment，a kind of surge and peak pulse suppression circuit is introduced in detail. After the analysis and test, the circuit can effectively suppress the surge and peak pulse.

Key WordsGJB181, power characteristic, surge, peak pulse

* 收稿日期：2015年11月27日,修回日期：2015年12月30日

作者簡(jiǎn)介：王志剛，男，碩士，工程師，研究方向：電子總體技術(shù)。張崇，男，工程師，研究方向：電子總體技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)TN702

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.034