星載電路浪涌防護(hù)的設(shè)計(jì)及其測(cè)試方法

干練 秦琨 陳贊 韋博 羅笑林

摘要：文章介紹了目前衛(wèi)星星上單機(jī)設(shè)備啟動(dòng)/浪涌電流而進(jìn)行改進(jìn)的措施，以及相應(yīng)的設(shè)備啟動(dòng)/浪涌電流的測(cè)試方法，規(guī)范浪涌的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試方法，提出防浪涌設(shè)計(jì)參考電路。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；防浪涌設(shè)計(jì)；測(cè)試方法

中圖分類號(hào)：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0187-02

隨著空間載荷平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用任務(wù)需求的增加，衛(wèi)星供電的純潔度和穩(wěn)定性的要求也在不斷提高。目前，衛(wèi)星產(chǎn)品上陸續(xù)發(fā)生過(guò)產(chǎn)品由于供電電路/接口電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，導(dǎo)致產(chǎn)品在整星聯(lián)試過(guò)程中因啟動(dòng)/浪涌電流過(guò)大及從線纜上感應(yīng)到其它設(shè)備的啟動(dòng)電流而使產(chǎn)品受損或產(chǎn)生誤操作從而影響了產(chǎn)品/系統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)度，甚至影響了整星的正常工作。

1 簡(jiǎn)介

浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。浪涌是指當(dāng)電壓增加持續(xù)三毫微秒（十億分之一秒）或更長(zhǎng)時(shí)間時(shí)被稱為浪涌。尖峰是指當(dāng)電壓增加僅持續(xù)一毫微秒或兩毫微秒時(shí)被稱為尖峰。

本文主要通過(guò)對(duì)工程實(shí)際運(yùn)用中發(fā)生的由于啟動(dòng)/浪涌電流過(guò)大而導(dǎo)致的問(wèn)題的故障案例進(jìn)行匯總分析，并結(jié)合目前衛(wèi)星產(chǎn)品為改善設(shè)備啟動(dòng)/浪涌電流而進(jìn)行改進(jìn)的措施，以及相應(yīng)的設(shè)備啟動(dòng)/浪涌電流的測(cè)試方法，規(guī)范浪涌的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試方法，提出防浪涌設(shè)計(jì)參考電路。

2 單機(jī)浪涌現(xiàn)象引起的普遍性問(wèn)題及危害

在電路設(shè)計(jì)中，由于濾波的考慮及器件等的要求，在電路中增加一些電容在所難免，因此浪涌電流的存在也是必然的。在電源啟動(dòng)時(shí)，這些電容被迅速充電，微觀上考慮相當(dāng)于瞬間短路，產(chǎn)生很大的電流，這個(gè)電流是額定電流的幾倍甚至是幾十倍，如果浪涌電流大，這可能會(huì)破壞供電系統(tǒng)，影響其它電子設(shè)備的正常運(yùn)行。有時(shí)會(huì)損壞電源、熔斷器、EMI濾波器、整流橋、濾波電容，甚至印刷電路板等元器件。有時(shí)雖然看不到顯性損壞，但是隱性損壞降低了設(shè)備的可靠性。

除了對(duì)供電鏈路上的設(shè)備產(chǎn)生影響，浪涌電流一旦感應(yīng)到相鄰的控制線或信號(hào)線上，將導(dǎo)致其它設(shè)備指令誤操作或檢測(cè)信號(hào)異常導(dǎo)致監(jiān)控中心誤判，并且還極易導(dǎo)致接口器件損壞，影響設(shè)備的功能和壽命。

3 浪涌抑制電路設(shè)計(jì)與分析

3.1 高速浪涌電流的基本原理

電容是一種儲(chǔ)能元件。當(dāng)電容兩端電勢(shì)不同時(shí)，電荷向電容的一個(gè)極板靠攏，從而導(dǎo)致電容充電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是產(chǎn)生浪涌電流的根本原因。

電容充電的計(jì)算公式：Vt=V0+（V1-V0）*[1-exp（-t/RC）]

例如，對(duì)于圖1所示電路，當(dāng)把單刀雙擲開(kāi)關(guān)接至位置（1）時(shí)，電源向電容器充電，同時(shí)在示波器上出現(xiàn)充電波形。從波形圖線可以看出，電容器的充電過(guò)程是暫態(tài)過(guò)程，僅在接通電源和短路的短時(shí)間里有短暫的電流，充電時(shí)電壓隨時(shí)間的變化圖線是指數(shù)曲線。

如果改變圖1中電位器的值（R↑），或更換電解電容（C↑），充電時(shí)電壓的變化都趨于緩慢。說(shuō)明表征充放電快慢的時(shí)間常數(shù)τ與電阻R和電容C有關(guān)，R和C越大，則τ越大（τ=RC），電壓變化越緩慢。

3.2 浪涌電流保護(hù)電路的幾種方案比較及分析

根據(jù)能量守恒定律，上電期間所需要的總能量是保持不變的，各種保護(hù)方法的效果就是減小瞬間電流的大小，將能量分?jǐn)偟礁荛L(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，q=∫pt，總能量 q是不變化的，當(dāng)t增加時(shí)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的電流i就會(huì)變小，使其達(dá)到電路可接受的范圍。

3.2.1 串聯(lián)電阻/NTC熱敏電阻抑制浪涌電流

在回路中串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ò央娮钃Q成負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種改進(jìn)），既可以把浪涌電流限制在可接受的范圍內(nèi)，又不影響產(chǎn)品的正常工作。

功率型NTC熱敏電阻器是以過(guò)渡金屬氧化物為主要原料制造的半導(dǎo)體陶瓷元件，屬于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器范疇，當(dāng)電流直接加在功率型NTC熱敏電阻器上時(shí)，其電阻值就會(huì)隨著電阻體發(fā)熱而迅速下降。由于功率型NTC熱敏電阻器有一個(gè)規(guī)定的零功率電阻值，當(dāng)其串聯(lián)在電源回路中時(shí)，就可以有效地抑制開(kāi)機(jī)浪涌電流，并且在完成抑制浪涌電流作用以后，由于通過(guò)其電流的持續(xù)作用，功率型NTC熱敏電阻器的電阻值將下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)正常的工作電流造成影響。所以，在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻器，是抑制開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電流，以保護(hù)電子設(shè)備免遭破壞的最為簡(jiǎn)便而有效的措施。

但是，采用熱敏電阻來(lái)抑制浪涌電流有他的缺陷，當(dāng)連續(xù)幾次加電時(shí)，由于熱敏電阻不能有效的冷卻，這樣導(dǎo)致他的電阻一直很小，從而抑制浪涌電流的效果大大降低。

3.2.2 負(fù)端采用場(chǎng)效應(yīng)管抑制浪涌電流

采用場(chǎng)效應(yīng)管不僅可以有效的抑制浪涌電流，而且可以避免熱敏電阻因連續(xù)上電不能有效抑制浪涌電流的缺陷，特別是在小電流、低電壓工作時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管可作為電壓控制的可變線性電阻和導(dǎo)通電阻很小的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)：

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的漏極特性曲線，曲線可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)三部分。場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)時(shí)，ID隨VDS的增加幾乎成線性增大，而增大的比值受VGS控制，這樣就可以把管子的D、S間看成一個(gè)受電壓VGS控制的線性電阻。

為消除浪涌電流，應(yīng)使場(chǎng)效應(yīng)管在可變電阻區(qū)工作一段時(shí)間。由于正常開(kāi)關(guān)工作時(shí)管子在可變電阻區(qū)時(shí)間極短，因此需要在柵極增加延時(shí)電路。R1與C1組成RC充電電路，R2與C1組成RC放電電路。C2為負(fù)載電路電容。

負(fù)載端分析：上電瞬間，C1與R1組成的RC電路對(duì)C1充電，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Vgs電壓為0，漏極和源極內(nèi)阻Ri趨近于無(wú)窮大，電流Ids趨近于零。V2在C1充電過(guò)程中不斷被抬高，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)域，其內(nèi)阻不斷減小。當(dāng)V2電勢(shì)達(dá)到一定值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入橫流區(qū)，DS導(dǎo)通。此時(shí)內(nèi)阻很小，一般都在幾個(gè)歐姆之內(nèi)。根據(jù)不同的電路可以和電容充電公式t = RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]調(diào)整電阻R1及電容C1的大小，以達(dá)到對(duì)浪涌電流更好的抑制效果。

斷電瞬間：C1和R2組成的RC電路對(duì)C1放電，理論與充電類似，不再贅述，由于放電時(shí)間很短，V2處的電勢(shì)很快到達(dá)0伏，場(chǎng)效應(yīng)管在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入可變電阻區(qū)，這樣就解決了熱敏電阻對(duì)連續(xù)上電對(duì)浪涌電流抑制效果差的問(wèn)題。

4 浪涌電流的測(cè)試方法

4.1 測(cè)試設(shè)備

4.1.1 供電電源

一般采用直流穩(wěn)壓電源；直流穩(wěn)壓電源需具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，其純阻性負(fù)載時(shí)的紋波峰峰值小于20mV；一次母線電源和二次母線電源電壓分別按照100V、28.5V設(shè)置，一次母線電源應(yīng)能提供負(fù)載工作峰值電流的5倍或12A電流，取其較大者；二次母線電源應(yīng)能提供負(fù)載工作峰值電流的2倍電流。

4.1.2 供電開(kāi)關(guān)

由于開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)浪涌電流幅值測(cè)試有重大影響，所以開(kāi)關(guān)均采用磁保持繼電器的形式（優(yōu)先考慮到飛行器上供配電設(shè)備選用的繼電器，單機(jī)內(nèi)置繼電器的設(shè)備可直接將其繼電器作為供電開(kāi)關(guān)）。測(cè)量時(shí)，供電開(kāi)關(guān)的位置應(yīng)盡量模擬飛行器上的實(shí)際情況（供電控制單元直接供電的負(fù)載，供電開(kāi)關(guān)設(shè)置為靠近穩(wěn)壓電源）。

4.1.3 示波器

采用數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)試，示波器帶寬要求不低于500MHz，示波器電流測(cè)量探頭帶寬不低于100MHz。

4.1.4 負(fù)載

如果設(shè)備有下一級(jí)負(fù)載，且在飛行器上存在同時(shí)上電的情況，那么測(cè)試時(shí)需要帶真實(shí)負(fù)載或相同功率的阻性負(fù)載測(cè)試。

4.2 測(cè)試方法

具體測(cè)試方法如圖2。

（1）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓源，使被測(cè)設(shè)備輸入電壓為標(biāo)稱值；（2）為模擬設(shè)備在系統(tǒng)上的真實(shí)接地狀態(tài)，將負(fù)載設(shè)備外殼和供電電源地短接；（3）將負(fù)載設(shè)置為系統(tǒng)上被測(cè)設(shè)備加電時(shí)相同的工作工況；（4）示波器電壓、電流測(cè)試點(diǎn)選取盡量靠近繼電器，電壓測(cè)量選取在繼電器之前（靠近穩(wěn)壓電源一側(cè)）；（5）將示波器電流探頭置于供電正線輸出端，示波器設(shè)置成上升沿觸發(fā)方式，脈沖高度、觸發(fā)電平以及觸發(fā)脈沖寬度的設(shè)置根據(jù)實(shí)際情況而定；（6） 若設(shè)備存在帶負(fù)載上電和獨(dú)立上電兩種加電方式，則還需測(cè)量設(shè)備空載時(shí)的浪涌電流；（7）抓取浪涌電流波形，得到浪涌電流最大值作為浪涌電流的幅值；以浪涌持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)備最大額定電流的電流持續(xù)時(shí)間為浪涌電流寬度。

5 結(jié)語(yǔ)

星上單機(jī)防浪涌的技術(shù)方法很多，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合型號(hào)具體情況，綜合考慮系統(tǒng)要求、選取最適合的方法來(lái)進(jìn)行星上單機(jī)防浪涌設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]H. Liu， S. Li. Speed control for PMSM servo system using predictive functional control and extended state observer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（2）：1171-1183.