機載產(chǎn)品電源的防護設(shè)計分析

劉國美，王 俊，劉衛(wèi)華，李亞男

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572000)

0 引言

隨著飛機型號的發(fā)展，新型號飛機的供電兼容性要求、指標更加嚴苛，對機載計算機供電兼容性的要求日益變高，高密度、高可靠的電源系統(tǒng)已成為機載計算機的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)的防護方式已不能滿足新型號飛機的要求，存在以下多個方面的問題。

1) 新型號飛機供電兼容性要求相對于GJB 181—86新增了防反接試驗要求，若使用傳統(tǒng)的二極管防反保護的方式，由于計算機的綜合化程度提高，計算機功率增大，二級管損耗增大，電源效率低，變得不再被接受。

2) 新型號飛機供電兼容性要求相對于GJB 181—86新增了負載特性要求，對負載沖擊電流的要求嚴苛，目前部分飛機型號要求沖擊電流200ms內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)電流，沖擊電流最大值不超過穩(wěn)態(tài)電流的5倍；部分飛機型號要求更為嚴苛，要求沖擊電流100ms內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)電流，沖電流最大值不超過穩(wěn)態(tài)電流的5倍。

3) 以往電源設(shè)計中輸出過壓保護電路使用穩(wěn)壓管等的粗放型保護方式，容易受到器件溫度、分立器件自身的一致性等問題的影響。

本文將對上述問題進行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 設(shè)計分析

1.1 防反接保護

整機中一般配置2個電源模塊，對于后端負載模塊來說，每個電源模塊各提供一個支路輸出，實現(xiàn)其余度供電工作，一個電源模塊的失效不會影響負載模塊的正常工作，以提高整機工作可靠性。另外，一般情況下，負載模塊為用電設(shè)備，自身不會產(chǎn)生高壓，但是若整機內(nèi)部發(fā)生絕緣強度失效等故障時，負載模塊串接的其高電壓就有可能串入其他供電支路，導(dǎo)致故障蔓延，所以在設(shè)計中需要增加防反接保護，在新型號飛機供電兼容性要求中也增加了防反接試驗要求。

使用二極管串聯(lián)在輸入端，可達到防反接保護的目的，這種實現(xiàn)方式簡單可靠，但是二極管壓降一般都在0.7V以上，大電流的時候最高可達1V，這樣供電支路上壓降就非常明顯，按照4A負載電流計算，僅二極管損耗就高達4W，在多路輸出智能電源中，所有支路的二極管損耗將會增加產(chǎn)品發(fā)熱量。可以用MOSFET來代替二極管，通過對MOSFET進行控制，使其表現(xiàn)出理想二極管的特性，高性能的MOSFET漏源極耐壓VDS都在100V以上，且漏源極通態(tài)阻抗RDS(ON)典型值僅有2～3 mΩ，這樣保證在4A負載電流下，防反電路中MOSFET的壓降僅有12mV，功率損耗僅有48mW，僅為對應(yīng)二極管功耗的1.21%，二極管與MOSFET功率損耗曲線見圖1。

圖1 二極管與MOSFET功率損耗曲線圖

使用MOSFET來代替二極管，需要通過控制器電路來控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)閉，當(dāng)電流正向流通時打開MOSFET，電流經(jīng)由MOSFET的溝道流通；而當(dāng)電流反向流通時，控制電路關(guān)閉MOSFET，此時MOSFET的寄生體二極管就變成了天然的防反二極管[1]，防止故障蔓延。多路輸出的智能電源也是同樣工作原理，從而可以滿足多路輸出電源的余度供電，防反保護電路原理見圖2。

圖2 MOSFET型防反電路示意圖

1.2 啟動沖擊電流抑制

在三代機中并未對沖擊電流提出約束，實際中負載模塊正常上電過程中存在很大的啟動沖擊電流，其主要原因是后級輸入端的電容充電和后級電路的啟動電流，尤其是對于電容充電電流，可以用如下公式來計算：

(1)

圖3 抗過壓、沖擊電流的啟動電路

當(dāng)電源輸入端Vi產(chǎn)生電壓時，鉗位電壓電路生成電壓Vc，并通過緩沖電路作用，改變了Vc電壓建立斜率或時間，使場效應(yīng)管的Q1處于飽和區(qū)[2]，呈現(xiàn)可變電阻特性，對電路中的電容進行RC充電，降低沖擊電流，實現(xiàn)了沖擊電流抑制功能。

1.3 過欠壓保護

部分輸出過壓保護電路使用穩(wěn)壓管等的粗放型保護方式，容易受到器件溫度、分立器件自身一致性等問題的影響，部分電源甚至未設(shè)置欠壓保護電路。本文提出的過欠壓保護電路如圖4所示，R1、R2、R3與比較器V4，構(gòu)成輸出電壓采樣電路，V1為5V電壓基準。當(dāng)電源供電電壓在正常范圍內(nèi)時，A點電壓高于基準電壓，B點電壓低于基準電壓，C點電壓為低，V5截止，控制端保持原狀態(tài)，電源正常輸出；當(dāng)輸出電壓高于正常范圍時，A點電壓高于基準電壓，B點電壓也高于基準電壓，C點電壓為高，V5導(dǎo)通，控制端將電源關(guān)斷端子拉低，電源保護，關(guān)閉輸出；當(dāng)電源供電電壓低于正常范圍時，A點電壓低于基準電壓，B點電壓也低于基準電壓，C點電壓為高，V5導(dǎo)通，控制端將電源關(guān)斷端子拉低，電源保護，關(guān)閉輸出。通過該控制方法可對電源的輸出進行過欠壓保護。

圖4 過欠壓保護電路

2 結(jié)束語

本文對機載產(chǎn)品電源的防護問題進行了分析，針對部分問題提出了解決辦法，并在新型號產(chǎn)品的電源設(shè)計中得到了應(yīng)用，可以顯著抑制啟動沖擊電流，并具備余度供電和防反接能力，以及精確的過欠壓保護能力，使產(chǎn)品具備極高的工作可靠性。