保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用對機(jī)載成品性能的影響

郭宸佑 馬 劼 李 鐵

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)<集團(tuán)>有限責(zé)任公司總裝廠，陜西 閻良 710089）

0 引言

鑒于電路內(nèi)部及外界環(huán)境存在一些不穩(wěn)定因素，在信號傳輸過程中，會(huì)產(chǎn)生如靜電、噪聲、雜波等干擾信號，影響信號輸入和輸出，甚至損壞機(jī)載成品。因此，需要設(shè)計(jì)相關(guān)電路對成品內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)，完成對干擾信號的過濾與清除。隨著現(xiàn)代飛機(jī)集成化程度的提升，裝機(jī)成品除了滿足各子系統(tǒng)的功能，還需要進(jìn)行信息交聯(lián)達(dá)到功能綜合的目的[1]，因此單一成品的功能失效，就會(huì)對全機(jī)性能產(chǎn)生不可逆的影響，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)分為模擬電路、數(shù)字電路、集成電路、射頻電路等，在電路設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)電氣設(shè)備配置地點(diǎn)不合理、電線配置方式不合理、電線接觸不良、極性連接相反、保護(hù)電路設(shè)計(jì)不合理等問題[2]。其中保護(hù)電路設(shè)計(jì)需要綜合考慮成品工作時(shí)所處環(huán)境，同時(shí)兼顧成品內(nèi)部相關(guān)電路布局、接口定義、成品尺寸、成品重量等技術(shù)指標(biāo)，制定出有針對性的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)組成和功能描述

1.1 某型機(jī)APU起動(dòng)原理

輔助動(dòng)力裝置（APU）是一種安裝在大型飛機(jī)上的獨(dú)立小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，是除飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)外的一臺動(dòng)力裝置，它的作用是向飛機(jī)獨(dú)立提供電源和壓縮空氣，也可以提供附加推力[3]。

某型機(jī)APU工作系統(tǒng)包括APU安裝架、APU進(jìn)排氣系統(tǒng)、APU冷卻系統(tǒng)、泄漏系統(tǒng)、APU起動(dòng)電氣控制、參數(shù)采集及處理、加溫系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等。其中APU起動(dòng)電氣控制的主要任務(wù)是將APU轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)帶動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，并加速到獨(dú)立工作狀態(tài)；同時(shí)向APU燃燒室供油，將燃燒室的油氣混合氣點(diǎn)燃，使渦輪正常工作，同時(shí)參與加速APU轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。APU起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)主要由起動(dòng)發(fā)電機(jī)、自動(dòng)起動(dòng)器、起動(dòng)箱、電子調(diào)節(jié)器、工作時(shí)間記數(shù)器、進(jìn)氣門操縱電動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。在APU起動(dòng)時(shí)，直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)APU轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，采用逐級起動(dòng)的方式起動(dòng)APU。整個(gè)起動(dòng)過程受自動(dòng)起動(dòng)器和電子調(diào)節(jié)器控制。

1.2 電子調(diào)節(jié)器功能及工作原理

電子調(diào)節(jié)器主要由轉(zhuǎn)速傳感器模擬器、定值器組合、斷續(xù)信號發(fā)生器和檢查邏輯電路等組成。工作時(shí)與熱電偶、轉(zhuǎn)速傳感器配合工作。當(dāng)APU轉(zhuǎn)子達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出相應(yīng)的電壓信號，在APU渦輪后燃?xì)鉁囟冗_(dá)到極限排氣溫度以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到極限轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出APU停車信號，使APU停止起動(dòng)。其中轉(zhuǎn)速傳感器是一臺測速發(fā)電機(jī)，用來感受APU轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號，傳遞給電子調(diào)節(jié)器。熱電偶是測量渦輪后燃?xì)鉁囟?，將燃?xì)鉁囟绒D(zhuǎn)換成電信號，傳遞給電子調(diào)節(jié)器。電子調(diào)節(jié)器接收相關(guān)信號

后進(jìn)行處理，將處理后的信號與定值器內(nèi)部預(yù)先給定的信號進(jìn)行對比，再經(jīng)斷續(xù)信號發(fā)生器變換成與APU各給定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的指令電壓輸出，控制APU自動(dòng)起動(dòng)器中繼電器的工作。

2 APU起動(dòng)通電檢查過程

APU起動(dòng)可分為地面起動(dòng)、冷運(yùn)轉(zhuǎn)、假起動(dòng)、空中起動(dòng)等。在總裝階段進(jìn)行APU起動(dòng)通電檢查時(shí)，用信號發(fā)生器模擬APU起動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)速信號，向電子調(diào)節(jié)器輸入電壓及頻率信號；用APU起動(dòng)模擬器（以下簡稱起動(dòng)模擬器）來模擬APU，起動(dòng)模擬器上的信號燈工作狀態(tài)來模擬起動(dòng)時(shí)APU各附件的工作狀態(tài)。若APU正常起動(dòng)，位于駕駛艙APU起動(dòng)控制板（以下簡稱起動(dòng)控制板）上的 “準(zhǔn)備起動(dòng)”燈熄滅，“APU工作”綠色信號燈燃亮；若APU沒有正常起動(dòng)，位于起動(dòng)控制板上的“準(zhǔn)備起動(dòng)”燈燃亮，“APU工作”綠色信號燈不燃亮，APU需要重新起動(dòng)。

2.1 電子調(diào)節(jié)器的自檢

在進(jìn)行APU起動(dòng)通電檢查時(shí)，首先對電子調(diào)節(jié)器進(jìn)行自檢。通過操作起動(dòng)控制板上的自檢按鈕，觀察駕駛艙多功能顯示器畫面頁及起動(dòng)控制板上指示燈的燃亮情況以及操作起動(dòng)模擬器上的K2、K3開關(guān)模擬APU工作狀態(tài)來對電子調(diào)節(jié)器進(jìn)行自檢。

2.2 APU起動(dòng)檢查

在電子調(diào)節(jié)器自檢正常后，可進(jìn)行APU正常起動(dòng)、APU冷運(yùn)轉(zhuǎn)、APU假起動(dòng)、APU停車等項(xiàng)目通電檢查，以上檢查均需要操作起動(dòng)控制板上的開關(guān)、按鈕。不同的操作方式可進(jìn)行不同的項(xiàng)目檢查。APU正常起動(dòng)時(shí)用信號發(fā)生器向電子調(diào)節(jié)器輸入APU起動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過電子調(diào)節(jié)器處理后，向自動(dòng)起動(dòng)器輸出控制信號，再由自動(dòng)起動(dòng)器控制起動(dòng)模擬器。APU起動(dòng)時(shí)的具體現(xiàn)象如上所述。

3 APU起動(dòng)通電故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行APU起動(dòng)通電檢查時(shí)，在電子調(diào)節(jié)器自檢正常的狀態(tài)下，觀察起動(dòng)模擬器上各指示燈的燃亮狀態(tài)來確定APU的起動(dòng)情況。某型機(jī)在進(jìn)行APU起動(dòng)通電檢查時(shí)，電子調(diào)節(jié)器自檢正常，進(jìn)行APU正常起動(dòng)檢查，起動(dòng)模擬器上的各指示燈起始狀態(tài)燃亮正常，當(dāng)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，向電子調(diào)節(jié)器輸入90%轉(zhuǎn)速信號時(shí)，起動(dòng)模擬器上的APU工作指示燈未按要求燃亮。同時(shí)，位于起動(dòng)控制板上的“準(zhǔn)備起動(dòng)”燈燃亮，模擬APU起動(dòng)失敗。

3.2 故障分析

轉(zhuǎn)速信號由信號發(fā)生器發(fā)出并傳遞給電子調(diào)節(jié)器，經(jīng)過電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路處理再輸出，總裝階段只模擬轉(zhuǎn)速信號。起動(dòng)控制板發(fā)出控制信號，經(jīng)APU起動(dòng)控制盒傳遞給電子調(diào)節(jié)器，同時(shí)由信號發(fā)生器發(fā)出的轉(zhuǎn)速信號傳遞給電子調(diào)節(jié)器，電子調(diào)節(jié)器將信號輸出至自動(dòng)起動(dòng)器，自動(dòng)起動(dòng)器控制起動(dòng)模擬器上的信號燈。

結(jié)合以上工作原理及某型機(jī)APU通電檢查要求，分析故障產(chǎn)生原因如下。

（1）各連接器與成品未對接到位或連接器內(nèi)部針孔錯(cuò)位，造成信號無法正常傳輸。

（2）自動(dòng)起動(dòng)器無信號輸出或無信號輸入。

（3）電子調(diào)節(jié)器無信號輸出或無信號輸入。

（4）起動(dòng)模擬器內(nèi)部線路故障。

圖1 轉(zhuǎn)速信號處理電路

經(jīng)機(jī)上排查，確認(rèn)連接器對接到位，連接器內(nèi)部針孔無錯(cuò)位；用示波器監(jiān)測信號發(fā)生器輸出端，輸出端的頻率及電壓信號正常；用信號發(fā)生器向電子調(diào)節(jié)器輸出電壓及頻率信號，同時(shí)測量電子調(diào)節(jié)器輸出端電壓，發(fā)現(xiàn)無電壓輸出，因此可以判斷為電子調(diào)節(jié)器故障。結(jié)合起動(dòng)前電子調(diào)節(jié)器自檢正常，成品校驗(yàn)正常，說明成品在機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)式時(shí)，外界存在干擾信號造成內(nèi)部電路故障。

4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

通過對故障的排查，發(fā)現(xiàn)外界干擾信號對電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路產(chǎn)生影響。進(jìn)一步分析電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路，提出改進(jìn)方案。

4.1 電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路分析

電子調(diào)節(jié)器主要有自檢、超溫保護(hù)和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換功能，對應(yīng)的電路根據(jù)上述功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換電路包括轉(zhuǎn)速信號處理電路和轉(zhuǎn)速邏輯電路。電路設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。圖1為轉(zhuǎn)速信號處理電路，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)放大后通過LM131模擬集成f/V轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號，并通過電壓跟隨電路來提高帶載能力。圖2為轉(zhuǎn)速邏輯電路，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的頻率可以算出經(jīng)LM131頻率/電壓變換后的各階段轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓值，將頻率/電壓轉(zhuǎn)換后的電壓與對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較，如設(shè)置的比較電壓為5.43V（對應(yīng)轉(zhuǎn)速108%），當(dāng)轉(zhuǎn)速大于108%時(shí)，比較器輸出高電平驅(qū)動(dòng)固體繼電器工作向自動(dòng)起動(dòng)器發(fā)出電壓信號。

4.2 電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路故障定位

結(jié)合通電檢查故障現(xiàn)象，對U11放大器輸入5KHz的轉(zhuǎn)速信號，對應(yīng)U11放大器應(yīng)有對應(yīng)5KHz的轉(zhuǎn)速信號輸出，但實(shí)際檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)U11有輸入、無輸出，可以確認(rèn)U11放大器故障。

4.3 電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路的改進(jìn)

通過故障現(xiàn)象可以看出，在系統(tǒng)聯(lián)式過程中有可能會(huì)對成品輸入端施加干擾信號，該信號對電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路造成損壞，為提高電子調(diào)節(jié)器的適應(yīng)性，需對其內(nèi)部電路信號輸入端增加保護(hù)措施。

在電路的轉(zhuǎn)速信號輸入端外接測速發(fā)電機(jī)，輸入頻率為1 kHz～5.4 kHz，幅值為0.6 V～4 V的正弦信號，通過U11對該頻率信號進(jìn)行幅值放大，經(jīng)光電隔離后，通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器將頻率信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號。因此，轉(zhuǎn)速信號輸入端即為U11放大器的輸入端，對輸入端的保護(hù)即為對U11輸入端保護(hù)。保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)速邏輯電路

圖3 U11的保護(hù)電路

保護(hù)電路中C1、C2選用電壓為500 V，容量為0.66μF的無極性介質(zhì)電容，用于濾除測試過程中輸入端引入的直流信號。R1、R2、D1和C3組成輸入端差分信號保護(hù)電路。其中R1和R2為限流電阻，為避免阻值過大在輸入端引入額外噪聲，阻值為510Ω。D1為TVS管，用于抑制輸入端浪涌電壓，R1、R2和C3組成濾波電路，用于濾除輸入端的高頻信號。

4.3.1 TVS管的選擇

TVS管在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，可承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)尖峰電壓，工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，并將電壓箝位到TVS管箝位電壓值，從而有效保護(hù)線路中其他元器件免受損壞。U11的電源電壓為12 V，正常使用時(shí)輸入端信號幅值小于5 V，當(dāng)TVS管的最大反向電壓為6 V時(shí)，擊穿電壓為7.05 V，最大箝位電壓為9.18 V。選用SY195CAS型雙向TVS管，該器件擊穿電壓為7.22 V，箝位電壓為11.2 V，功率為3 kW，允許的正向浪涌電流可達(dá)到267 A。

4.3.2 C3電容的選擇

R1、R2和C3組成低通濾波電路，用于濾除輸入端的高頻信號，輸入端頻率1 kHz～5.4 kHz，電阻為510Ω，頻率信號幅值最低為0.6 V，確定C3的容值為56 pF。

4.3.3 其他元器件的選擇

R1～R4、C4、C5、D2、D3 和 Q1～Q4 組成輸入端共模保護(hù)電路，用于抑制輸入端共模電壓對器件的影響，R3和R4為接地電阻，阻值為100 kΩ，為輸入端偏置電流提供一個(gè)DC返回路徑。C4和C5為共模濾波電容，容值為680 pF。為避免輸入端電壓高于U11的電源電壓，利用附加外部箝位二極管增加器件輸入保護(hù)。因大多數(shù)普通二極管都具有很高的泄漏電流，在儀表放大器的輸出端產(chǎn)生很大的失調(diào)誤差，為避免誤差，選擇用三極管的PN節(jié)替代二極管，所用Q1～Q4三極管的漏電流為100nA，滿足使用要求。在Q1～Q4組成輸入端共模保護(hù)電路的基礎(chǔ)上，增加TVS管D2、D3，增強(qiáng)后級電路的保護(hù)。

新增的保護(hù)電路只是用于U11輸入端的保護(hù)，提高集成電路的可靠性及輸入信號的抗干擾能力，不會(huì)影響集成電路的性能指標(biāo)，不會(huì)影響電子調(diào)節(jié)器的正常工作。

5 結(jié)論

本文在分析某型機(jī)APU起動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路的組成及工作原理，同時(shí)結(jié)合電子調(diào)節(jié)器現(xiàn)場工作環(huán)境，明確了保護(hù)電路對成品性能的影響，解決了某型機(jī)電子調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)聯(lián)式過程中無法正常工作的問題，為后續(xù)相關(guān)電路的設(shè)計(jì)提供了參考。