短波電臺(tái)瞬時(shí)斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法

張大磊　王濤　宋啟明

摘 要：本文依據(jù)GJB 181-1986和GJB 181A-2003中規(guī)定的飛機(jī)匯流條或電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)不大于50ms的供電變化電源特性要求，同時(shí)考慮機(jī)載電子設(shè)備電流浪涌抑制要求，詳細(xì)論述了短波電臺(tái)瞬時(shí)斷電保護(hù)電路的電路組成、工作原理及儲(chǔ)能電容選型方法。該方案考慮全面、切實(shí)有效，已在某型直升機(jī)短波電臺(tái)中得到應(yīng)用，并經(jīng)過電源特性試驗(yàn)驗(yàn)證，為同類機(jī)載電子設(shè)備瞬時(shí)斷電保護(hù)電路設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：短波電臺(tái);瞬時(shí)斷電保護(hù);軟啟動(dòng)

引言

電源特性是指機(jī)載電子設(shè)備應(yīng)與飛機(jī)供電系統(tǒng)的供電特性相兼容，隨著對(duì)機(jī)載電子設(shè)備電源特性要求的提升，機(jī)載電子設(shè)備電源特性均明確要求符合GJB 181-1986或GJB 181A-2003等標(biāo)準(zhǔn)供電特性要求。其中，飛機(jī)供電系統(tǒng)在匯流條或電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)供電中斷，時(shí)間不大于50ms。因此，在短波電臺(tái)電源設(shè)計(jì)中，為防止在供電中斷期間產(chǎn)品出現(xiàn)斷電重啟導(dǎo)致實(shí)時(shí)工作參數(shù)丟失或通信鏈路中斷的問題，必須設(shè)計(jì)瞬時(shí)斷電保護(hù)電路。

1 電路組成

短波電臺(tái)額定輸入電壓一般為28V，通過DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)12V、5V等二次電源供給。短波電臺(tái)功能控制、參數(shù)存儲(chǔ)等功能電路均為5V供電，因此在飛機(jī)電源供電轉(zhuǎn)換瞬間保證DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路正常輸出，即可保證短波電臺(tái)在系統(tǒng)電源供電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)供電中斷時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷電重啟或工作參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生改變的問題。因此通常在DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路輸入端增加儲(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)功能。短波電臺(tái)斷電保護(hù)電路主要包括儲(chǔ)能電容、防倒灌二極管、限流電阻和軟啟動(dòng)電路。

2 工作原理

儲(chǔ)能電容在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)供電中斷時(shí)為DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路提供能量供給，并在儲(chǔ)能電容正極與28V輸入端之間增加二極管，防止系統(tǒng)供電中斷后儲(chǔ)能電容放電時(shí)出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象。同時(shí)，為防止短波電臺(tái)上電瞬間儲(chǔ)能充電時(shí)電流過大導(dǎo)致防倒灌二極管損壞，可考慮在電容正極與DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路輸入端之間增加二極管和限流電阻，短波電臺(tái)上電正常工作時(shí)通過電阻給儲(chǔ)能電容充電，系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)供電中斷時(shí)通過二極管放電給DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路提供能量，實(shí)現(xiàn)“慢充快放”。

軟啟動(dòng)電路是為防止短波電臺(tái)上電瞬間儲(chǔ)能電容和后端電路濾波電容充電形成的沖擊電流過大而設(shè)計(jì)的限流電路，由P溝道增強(qiáng)型MOS管、穩(wěn)壓二極管、電阻和電容構(gòu)成，利用MOS管柵（G）源（S）電壓UGS控制MOS管導(dǎo)電溝道的開啟寬窄程度，達(dá)到控制漏（D）極電流的目的。在MOS管柵極源極之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓二極管可在輸入電壓出現(xiàn)較大脈沖時(shí)使得MOS管兩端柵源電壓有上限值，也就通過MOS管的漏源電流的值也同樣有上限值。短波電臺(tái)上電后，MOS管柵極源極之間接有電容，電容兩端電壓（也即是MOS管的柵源電壓UGS）不能突變，電壓是從零開始，小于MOS管的開啟電壓UGS（th）（P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓一般在2V～4V之間，UGS大于UGS（th）時(shí)MOS管導(dǎo)通），MOS管處于截止區(qū)，因此漏極和源極之間沒有導(dǎo)通。隨著電容逐漸充電，柵源電壓UGS逐漸升高靠近開啟電壓。當(dāng)UGS大于開啟電壓時(shí)，漏源兩端逐漸導(dǎo)通，漏極電流逐漸增大。隨著MOS管柵源電壓的逐漸升高，MOS管工作狀態(tài)從截止區(qū)到恒阻區(qū)再到飽和區(qū)。在此過程中，電路后端的負(fù)載電路中的電容被逐漸充電，沖擊電流得到抑制。

3 儲(chǔ)能電容選型

短波電臺(tái)瞬時(shí)斷電保護(hù)電路通常選用高能復(fù)合鉭電容器來實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)。高能復(fù)合鉭電容器具有能量密度高、阻抗低、體積小等特點(diǎn)，可以進(jìn)行無限次的充放電，常用于功率緩沖、能量吸收、斷電延遲或瞬時(shí)斷電保護(hù)電路。

設(shè)電路正常工作時(shí)的輸入功率為P，電容容量為C，其兩端的電壓為U1，則電容儲(chǔ)存的能量為：W1=C（U12）/2。當(dāng)輸入電源斷電后，經(jīng)過時(shí)間t，電容兩端的電壓為U2，此時(shí)電容剩余的能量為W2=C（U22）/2。因此在這一過程中儲(chǔ)能電容釋放的能量W=W1-W2=C（U12-U22）/2，它應(yīng)等于電路維持時(shí)間t正常工作所需的能量，即Pt=W=C（U12-U22）/2。因此可知維持電路正常工作時(shí)間t所需的最小電容量為C= 2Pt/（U12-U22）。

在短波電臺(tái)實(shí)際設(shè)計(jì)中，P為5VDC/DC電源轉(zhuǎn)換電路正常工作時(shí)的輸入功率（約為10W），t為最大供電中斷時(shí)間0.05s，U1為最低穩(wěn)態(tài)正常電壓（比如在GJB 181-1986中規(guī)定A類用電設(shè)備最低穩(wěn)態(tài)正常電壓為26V），U2為5VDC/DC電源轉(zhuǎn)換電路能夠正常工作的最低輸入電壓（一般DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路最低輸入電壓要求為18V）。因此，短波電臺(tái)斷電保護(hù)電路所需的最小電容量C=2841μF。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)為防止由于其他不確定因素導(dǎo)致的供電時(shí)間和功率密度不夠的情況，在電容器容量選擇時(shí)應(yīng)留有余量（通常不小于50%），結(jié)合高能復(fù)合鉭電容容量表容量選項(xiàng)，在上述條件下瞬時(shí)斷電保護(hù)電路儲(chǔ)能電容容值建議選擇4200μF。當(dāng)然，在實(shí)際選型過程中還需根據(jù)系統(tǒng)要求及產(chǎn)品電路情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)束語

短波電臺(tái)電源設(shè)計(jì)中使用高能復(fù)合鉭電容器作為儲(chǔ)能電容為控制電路在系統(tǒng)出現(xiàn)供電中斷時(shí)提供能量，可有效解決系統(tǒng)供電中斷期間產(chǎn)品出現(xiàn)斷電重啟導(dǎo)致實(shí)時(shí)工作參數(shù)丟失或通信鏈路中斷的問題，滿足GJB181-1986或GJB181A-2003相關(guān)要求，并增加軟啟動(dòng)電路解決產(chǎn)品上電過程中因儲(chǔ)能電容及后端電路濾波電容充電造成的電流過沖問題，為同類機(jī)載電子設(shè)備瞬時(shí)斷電保護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考方案。

參考文獻(xiàn)

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[2]王大明，聶玉林，趙月琴.空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置電源特性設(shè)計(jì).航空兵器2010年第3期

[3]GJB 181-1986，飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求.

[4]GJB 181A-2003，飛機(jī)供電特性.

作者簡介：

張大磊（1983-），陜西富平人，工程師，現(xiàn)在從事無線電電子線路設(shè)計(jì)工作，主要研究方向：短波通信