航天器產(chǎn)品限流電阻保護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

王 棟，王偉榮，劉向陽，羅亞斌，傅 巍，石慧杰

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094；2.中國電子科技集團(tuán)第四十九研究所，哈爾濱150001；3.中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所，長沙410111)

1 引言

航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求明確指出，下游負(fù)載要具備過流保護(hù)功能。當(dāng)前，航天器產(chǎn)品過流保護(hù)措施一般分為固態(tài)功率電子開關(guān)、熔斷器、限流電阻3種。其中，固態(tài)功率電子開關(guān)主要應(yīng)用于100 V母線上的設(shè)備，具有壽命高、響應(yīng)快、無噪聲、可靠性高、加電可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。但由于半導(dǎo)體器件的固有特性，固態(tài)功率電子開關(guān)又具有導(dǎo)通后管壓降大(一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大)、關(guān)斷后有微安到毫安的漏電流、體積大等缺點(diǎn)。熔斷器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但熔體熔斷受電流、時(shí)間、熔化系數(shù)等多方面影響，實(shí)際工作中不容易有效熔斷。在載人航天器中，通常要求選用額定電流大于0.5 A以上的規(guī)格型號(hào)。上述2種過流保護(hù)措施均不適用于輸入電壓低、電流小的傳感器產(chǎn)品。

航天器中很多傳感器單機(jī)供電電壓為12 V，電流大部分為毫安級(jí)，往往選擇限流電阻實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。當(dāng)前規(guī)范并沒有對(duì)限流電阻的設(shè)計(jì)方法提出具體要求，導(dǎo)致下游單機(jī)設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致。本文對(duì)限流電阻的保護(hù)方法進(jìn)行深入分析，給出基本設(shè)計(jì)原則，提出限流電阻功率接近和遠(yuǎn)超額定功率2種工況下的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，并以3種常用傳感器限流電阻保護(hù)電路為例，采用不同阻值、同封裝和同阻值、不同封裝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 限流電阻設(shè)計(jì)方法

2.1 基本設(shè)計(jì)原則

限流電阻串聯(lián)在電路最前端，用以限制或隔斷電流，以防產(chǎn)品短路時(shí)，電流過大影響上游設(shè)備。限流電阻根據(jù)產(chǎn)品短路時(shí)的功效可以分為2種過流保護(hù)模式:①短路時(shí)通過電阻限流保護(hù)上游配電器，此時(shí)限流電阻基本工作在額定功率內(nèi)；②短路時(shí)電阻直接燒斷或近似開路，隔離故障，保護(hù)上游配電器，限流電阻工作功率遠(yuǎn)大于額定功率。限流電阻的基本設(shè)計(jì)原則如下:

1)一般情況下，航天器各分系統(tǒng)28 V和12 V的產(chǎn)品供電大部分來自子各分系統(tǒng)控制器DC/DC變換器二次變換，配電輸出。產(chǎn)品短路時(shí)，在電阻過流保護(hù)期間，一定不要觸發(fā)上游DC/DC的保護(hù)。根據(jù)歐姆定律可得不等式(1)和(2):

式中均默認(rèn)2個(gè)電阻并聯(lián)，每個(gè)阻值為R。公式(1)適用于理論推導(dǎo)，公式(2)適用于實(shí)際選用。式中，V為供電電壓，I為過流時(shí)2個(gè)電阻上流過的總電流(即過流時(shí)的保護(hù)電流)，P為上游DC/DC的剩余保護(hù)功耗。上游剩余功耗固定時(shí)，從式(1)可知，R越大越好。如果保護(hù)電阻總功率超過P，則會(huì)觸發(fā)上游DC/DC變換器的保護(hù)，影響連接在同一DC/DC上的其他產(chǎn)品。假設(shè)上游DC/DC的保護(hù)電流為I，DC/DC下游負(fù)載的最大額定電流為I s，產(chǎn)品正常電流為I，則存在式(3):

2)限流電阻采用多電阻并聯(lián)，防止單點(diǎn)失效。限流電阻要充分考慮設(shè)備工作時(shí)自身功耗，嚴(yán)格按照元器件降額準(zhǔn)則執(zhí)行。

假設(shè)I為產(chǎn)品正常電流，若2個(gè)限流電阻并聯(lián)，則每個(gè)電阻上正常功耗為I×I×R/4。從公式(4)可知，選擇限流電阻時(shí)，R越小越好，P越大越好。

式中，β為降額因子，P為電阻的標(biāo)稱額定功率。

3)增加限流電阻后，要考慮電阻上的壓降不會(huì)影響后面電路的正常工作。從公式(5)可知，選擇限流電阻時(shí)，R越小越好，這樣電阻上降壓越小，后端電路分壓越大。

2.2 限流電阻功率接近額定功率時(shí)設(shè)計(jì)方法

在產(chǎn)品發(fā)生短路故障時(shí)，電阻起到限流作用，要求電阻上消耗的功率不要超過該電阻的標(biāo)稱額定功率，如式(6)、(7)所示:

從式(6)可知，如果電阻發(fā)揮限流作用，則R越大越好，并且P盡量大。

實(shí)際設(shè)計(jì)中式(6)不容易滿足。考慮電阻分壓，一般情況下，電阻R不能選很大，其標(biāo)稱額定功率也較小。尤其是供電電壓為28 V時(shí)，更不容易滿足條件。當(dāng)V＝28 V，選擇額定功率為0.25 W的電阻，其阻值R≥3136Ω，但是大阻值分壓會(huì)影響后級(jí)電路，所以這種限流模式適用于小電流電路，28 V的供電產(chǎn)品一般選擇熔斷器作為過流保護(hù)措施，而不推薦選用限流電阻。

考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應(yīng)超過該電阻標(biāo)稱額定功率的γ倍，如式(8)、(9)所示:

式中，γ為功率允許倍數(shù)，針對(duì)γ的設(shè)定，本文后續(xù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上，限流電阻選擇要參考式(1)～(9)，權(quán)衡給出合適的電阻。此外選擇電阻時(shí)，還要考慮外形封裝尺寸的影響，同一阻值，推薦選用封裝大、額定功率大的電阻作為限流電阻。

2.3 限流電阻功率遠(yuǎn)超額定功率時(shí)設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品短路瞬間，若限流電阻實(shí)際功率遠(yuǎn)超額定功率，則電阻被瞬間燒斷或阻值變大近似開路，實(shí)現(xiàn)瞬間故障隔離，短路后電阻瞬間功率遠(yuǎn)超于其額定功率，如式(10)所示:

從公式(10)可知，瞬間熔斷需要電阻R值選小，P盡量小，α盡量大。其中α為燒斷倍數(shù)，一般手冊(cè)上給出電阻的功率燒斷倍數(shù)為2.5倍，但是實(shí)際情況下，當(dāng)燒斷倍數(shù)達(dá)到2.5倍時(shí)，電阻并不會(huì)被燒斷。并且，如果燒斷功率不夠，在過流過程中，電阻周圍的PCB、三防漆等非金屬材料可能會(huì)先于電阻而燒壞，存在隱患。

選擇合適的限流電阻值還要參考公式(1)～(5)權(quán)衡得出，同時(shí)建議使用航天目錄電阻型號(hào)產(chǎn)品。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 試驗(yàn)1

某航天器分系統(tǒng)產(chǎn)品電導(dǎo)傳感器由分系統(tǒng)控制器提供28 V配電，其過流保護(hù)電路由2個(gè)電阻并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)保證產(chǎn)品一旦過流，電阻便被燒斷，將故障隔離。圖1為試驗(yàn)原理圖。

圖1 試驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the test

按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)，搭建一個(gè)由2個(gè)電阻和1個(gè)二極管組成的電路板(圖2)，二極管加在產(chǎn)品前端，防止反向接反，PCB三防，元器件點(diǎn)膠，共設(shè)計(jì)3塊電路板。按照式(1)～(5)和式(10)的原則，選擇功率為0.1 W，電阻值為100Ω，封裝較小的2012片式膜固定電阻器為限流電阻。

圖2 試驗(yàn)1的實(shí)物Fig.2 Photo of test verification 1

輸入電壓從6 V開始，逐漸增加，使電阻上的功耗增加，觀察瞬間燒斷倍數(shù)和規(guī)律，結(jié)果詳見表1。表1可以看出，選用2012片式/0.1 W/100Ω電阻，PCB電路板刷三防漆，單個(gè)電阻功耗在0.91～1.1055W時(shí)電路板冒微量煙，說明三防漆等非金屬材料開始燃燒；功耗到1.314 W時(shí)，焊盤熔化燒焦；隨著能量積累，功耗逐漸增至1.54W左右，電阻冒煙，此時(shí)功耗為電阻額定功率的15.4倍，斷電后測(cè)量電阻為千歐級(jí)；更換02號(hào)電路板重新試驗(yàn)，單個(gè)電阻功耗到2.652 W時(shí)，1個(gè)電阻燒斷，此時(shí)功耗為單個(gè)電阻額定功率的26.52倍；更換03號(hào)電路板，重新試驗(yàn)，單個(gè)電阻功耗到5.4W，2個(gè)電阻直接從中間燒斷，此時(shí)功耗為單個(gè)電阻額定功率的54倍。

3.2 試驗(yàn)2

某航天器分系統(tǒng)大多數(shù)傳感器為12 V供電產(chǎn)品，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)，搭建由2個(gè)電阻組成的電路板，總共4塊。與試驗(yàn)1相比，考慮減小電壓，在相同功耗下，選擇阻值為20Ω，同封裝2012/0.1 W片式膜固定電阻器為限流電阻。

輸入電壓從1 V開始逐漸增加，從而使得電阻上的功耗增加，考察瞬間燒斷倍數(shù)和規(guī)律。結(jié)果詳見表2。

表1 試驗(yàn)1選用2012片式/0.1W/100Ω電阻試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of test 1 w ith 2012/0.1W/100Ωresistor

表2 試驗(yàn)2選用2012片式/0.1W/20Ω電阻試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of test 2 w ith 2012/0.1W/20Ωresistor

表2可以看出，選用2012片式/0.1 W/20Ω電阻，PCB電路板未刷三防漆，未點(diǎn)膠，直接裸板裸電阻，觀察電阻情況。當(dāng)單個(gè)電阻的功耗達(dá)到0.83W，即額定功率的8.3倍時(shí)，電阻極燙，焊錫熔化，焊盤發(fā)黑，有少量煙；能量積累功耗逐漸增至1.25W，電阻損壞，斷電后電阻斷開；02電路板直接輸入12 V電壓，此時(shí)功耗為額定功率的72倍，電流瞬間變小，電阻損壞，由于損壞時(shí)間過快，電阻表面未看出異常，沒有出現(xiàn)烤焦變黃和冒煙情況；03、04電路板重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)象一致。

3.3 試驗(yàn)3

按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)，搭建一個(gè)由2個(gè)電阻組成的電路板，共2塊。仍然選擇12 V供電產(chǎn)品，額定功率為0.25W，電阻值為20Ω，封裝選用比較常見的3216片式膜固定電阻器為限流電阻。

輸入電壓從2 V開始逐漸增加，持續(xù)加電20 min，從而使得電阻上的功耗增加，考察瞬間燒斷倍數(shù)和規(guī)律，詳見表3。

以納米粒度分析儀測(cè)得復(fù)方精油微膠囊的大小與分布,如圖所示,A樣品運(yùn)用異丙醇為脫水劑,最佳配方的粒徑為259.9±17.8 nm; B樣品以冷凍真空干燥直接脫水,最佳配方的粒徑為188.2±25.6 nm。后者粒徑明顯小于前者,分布更加均勻。

表3 試驗(yàn)3選用3216片式/0.25W/20Ω試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of test 3 w ith 33216/0.25W/20Ωresistor

表3可以看出，選用3216片式/0.25 W/20Ω電阻，PCB電路板未刷三防漆，未點(diǎn)膠，直接裸板裸電阻，在這種封裝下，當(dāng)α＝5倍時(shí)，電阻極燙，焊錫熔化；當(dāng)α＝7倍時(shí)，電阻附近泄漏黑色疑似液體膠狀物(圖3)，不斷有氣泡冒出，同時(shí)聞到明顯燒焦氣味；當(dāng)α＝9.45倍時(shí)，電阻損壞。02塊電路板α＝28.8倍時(shí)，電流突降，電阻損壞，由于燒斷時(shí)間過快，電阻表面未看出異常，沒有出現(xiàn)烤焦變黃和冒煙情況。

圖3 試驗(yàn)3燒斷電阻照片(黑色膠狀物質(zhì))Fig.3 Photo of burnout resistor(black colloidal substance)in test 3

3.4 試驗(yàn)分析

1)通過試驗(yàn)1和試驗(yàn)2可看到，相同封裝，相同額定功率，阻值越小越容易燒斷。實(shí)際選擇限流電阻時(shí)，不是阻值越小越好，要兼顧考慮上游變換器的能力和產(chǎn)品輸入電壓，在電壓為28 V情況下，電阻不能太小。

2)通過試驗(yàn)2和試驗(yàn)3可看到，相同阻值，相比3216封裝，額定功率小的2012片式封裝電阻更容易燒壞，雖然不能燒斷，但是阻值變大，可以隔離故障。實(shí)際選擇限流電阻時(shí)，還要根據(jù)式(1)～(5)、(10)，參考其他因素，綜合考慮。

3)手冊(cè)上燒斷倍數(shù)為2.5倍是不可靠的，試驗(yàn)中此時(shí)電阻沒有明顯變化；電阻功率在額定功率4倍之內(nèi)時(shí)，電阻及周邊非金屬材料可靠；電阻功率超過額定功率4倍時(shí)，焊錫開始熔化，并冒煙；電阻功率超過額定功率54倍時(shí)，可以可靠被瞬間熔斷或燒毀電阻。所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要避開α在4～54倍范圍，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)，電阻阻值可能正常，但是周邊非金屬材料會(huì)有冒煙，燒糊現(xiàn)象，這會(huì)影響航天員及地面人員正常判斷，也有可能引起艙內(nèi)煙火報(bào)警，帶來更大隱患。

4)限流電阻功率接近額定功率設(shè)計(jì)時(shí)，考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應(yīng)超過該電阻標(biāo)稱額定功率的γ倍。當(dāng)額定功率為0.25 W時(shí)，功率允許倍數(shù)γ≤4；額定功率為0.1W時(shí)，γ≤8，其他情況要保證單個(gè)電阻功率＜0.8W。

5)通過以上3項(xiàng)試驗(yàn)也證明了28 V和12 V供電的某型號(hào)傳感器限流電阻設(shè)計(jì)的合理性。該產(chǎn)品在完全短路的情況下，設(shè)計(jì)電阻瞬間燒斷或阻值變大，可以隔離短路故障。但由于電阻的離散性，并不是每個(gè)批次電阻都能可靠燒斷，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)一般不建議采用限流電阻工作遠(yuǎn)超額定功率設(shè)計(jì)，尤其是不推薦在真空環(huán)境下使用。但若必須進(jìn)行此類設(shè)計(jì)，可以參考本文計(jì)算方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并開展相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1)使用限流電阻時(shí)，相同封裝、相同額定功率下，阻值越小越容易燒斷；相同阻值，不同封裝下，額定功率越小的封裝，越容易燒壞；

2)限流電阻功率在額定功率4倍之內(nèi)，電阻及周邊非金屬材料可靠；功率超過額定功率4倍，焊錫開始熔化并冒煙；功率超過額定功率54倍，電阻可以可靠被瞬間熔斷或燒毀。所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要避開α在4～54倍范圍。

3)限流電阻功率接近額定功率設(shè)計(jì)時(shí)，考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應(yīng)超過該電阻標(biāo)稱額定功率的γ倍，當(dāng)額定功率為0.25 W時(shí)，功率允許倍數(shù)γ≤4，額定功率為0.1 W時(shí)，γ≤8，其他情況要保證單個(gè)電阻功率＜0.8W。