直流270 V機載電子設(shè)備尖峰電壓抑制電路

王 威，熊亞麗，呂劍明

（成都新欣神風電子科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

在應用中，電子設(shè)備的輸入電壓絕對不能超過其最大允許輸入電壓，否則很容易使該設(shè)備損壞或者觸發(fā)其過壓保護。但電子設(shè)備的輸入電壓常常由于某些原因，如輸入源環(huán)路響應不及時、開關(guān)閉合瞬間接觸不良、電壓瞬間躍變等原因，造成很大的尖峰電壓，該尖峰電壓很可能造成后級電子設(shè)備損壞，或觸發(fā)其輸入過壓保護、重啟或停止工作，進而造成后級用電系統(tǒng)不能正常工作。因此，相關(guān)標準中要求直流270 V機載電子設(shè)備需要進行耐尖峰電壓試驗，進行耐尖峰電壓試驗的用電設(shè)備不應發(fā)生任何故障[1]。

1 尖峰電壓

直流270 V機載電子設(shè)備需要承受的尖峰電壓主要有兩種：一種是相關(guān)標準中要求的尖峰電壓，另一種是供電電源電壓瞬間躍變時產(chǎn)生的一個短時尖峰電壓。

1.1 標準中要求的尖峰電壓

按照《系統(tǒng)電磁兼容性要求》（GJB 1389A—2005 ）中的規(guī)定：飛機系統(tǒng)中，寬度小于50 μs的尖峰電壓信號（瞬變值）在直流電源線上的幅度不應超過額定直流的+50%（即+405 V）和-150%（即-675 V）；寬度大于50 μs的尖峰信號電壓則應滿足《飛機供電特性及對用電設(shè)備的要求》（GJB 181—1986）中相應的電源品質(zhì)特性過壓曲線[2,3]（600 V/10 μs）。按照《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》（GJB 151A—1997）中的規(guī)定：尖峰電壓施加于電源線正負極之間，幅值為±400 V，寬度為5 μs[4]。

上述尖峰電壓中能量最大的為《飛機供電特性及對用電設(shè)備的要求》中2.4.4.1規(guī)定的600 V/10 μs尖峰電壓，該尖峰電壓的峰值電壓為600 V，持續(xù)時間為10 μs，信號發(fā)生器內(nèi)阻為50 Ω。

1.2 電源電壓瞬變產(chǎn)生的尖峰電壓

直流270 V機載電子設(shè)備需滿足相關(guān)標準中規(guī)定的電源特性試驗要求，輸入電壓從180 V躍變至350 V時，由于測試電源的原因，輸入電源線間會產(chǎn)生一個峰值不超過直流450 V、持續(xù)時間小于1 ms的尖峰電壓。此尖峰電壓不同于±600 V/10 μs尖峰電壓。600 V/10μs尖峰電壓因其信號發(fā)生器內(nèi)阻為50 Ω，能量較小，容易抑制處理；而450 V/1 ms尖峰電壓是一種差模尖峰電壓，其內(nèi)阻為輸入電源內(nèi)阻，能量較大，比較不易抑制處理。

直流270 V機載電子設(shè)備的正常輸入電壓范圍一般為180～350 V，其最大輸入電壓為380 V。上述尖峰電壓若不進行抑制處理，會造成后級電源模塊輸入過壓保護功能被觸發(fā)重啟或掉電，影響后級設(shè)備正常工作，因此需要對上述兩種尖峰電壓進行抑制處理。

2 尖峰電壓抑制處理

2.1 600 V/10 μs 尖峰電壓抑制

電子設(shè)備在270 V額定輸入電壓工作時，在其正線上疊加600 V/10 μs尖峰電壓，其信號發(fā)生器內(nèi)阻為50 Ω，由于電子設(shè)備濾波電路中的線間電容電壓不能突變，故測試輸入電源、信號發(fā)生器內(nèi)阻及后級線間電容形成一個RC充電回路，如圖1所示。

圖1 600 V/10 μs尖峰電壓測試等效電路

電容的充電公式為

式中：Uc為電容兩端電壓；U0為電容初始電壓，即直流270 V；Us為尖峰電壓與額定電壓疊加值，即870 V；RC為充電時間常數(shù)；R為充電電阻，C為后級電容。

為保障后級電子設(shè)備的正常工作，尖峰電壓應被抑制在380 V以下，故應保證10 μs時間內(nèi)電容電壓不超過380 V。按照式（1）可知電容電壓10 μs內(nèi)從270 V充電至約380 V需要0.2個時間常數(shù)，則此時時間常數(shù)為 10 μs/0.2=50 μs，所需電容為 50 μs/50 Ω=1 μF，即當線間電容等于或者小于1 μF時，尖峰電壓才可在10 μs時間將電容電壓充電至380 V。在實際應用中，因為電磁兼容需要，該線間電容一般取數(shù)微法，其等效充電時間常數(shù)更大，10 μs時間內(nèi)電容兩端電壓變化更小。

因此，600 V/10 μs尖峰電壓不需要特殊抑制，1 μF以上線間電容即可吸收，故下文仿真及試驗不再針對此進行處理。

2.2 450 V/1 ms尖峰電壓抑制

該尖峰電壓由供電電源產(chǎn)生，其內(nèi)阻較小，持續(xù)時間過長，若僅靠線間電容吸收，需要線間電容容量較大，且不能及時將其抑制在直流380 V以下，會損壞后級電子設(shè)備或觸發(fā)輸入過壓保護功能，影響后級設(shè)備正常工作，因此需要對該尖峰電壓進行抑制處理。

尖峰電壓抑制電路基本原理如圖2所示，其中C3為后級等效線間電容。當尖峰電壓峰值超過設(shè)定值時，基準穩(wěn)壓源TL431的參考輸入端電壓超過2.5 V，則其陰極被拉低，光耦U1導通，將Q1的驅(qū)動電壓拉低，MOS管Q1關(guān)斷，尖峰電壓被與MOS管并聯(lián)的電阻R5吸收。本尖峰電壓抑制電路在直流180～350 V正常輸入電壓范圍內(nèi)不動作。

圖2 450 V/1 ms尖峰電壓抑制電路

尖峰電壓抑制電路具有穩(wěn)態(tài)工作以及尖峰電壓兩種工作狀態(tài)，其中輸入端出現(xiàn)尖峰電壓時屬于瞬態(tài)工作狀態(tài)，其余則屬于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。

在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時，輸入電壓Us低于尖峰電壓設(shè)定值，R1與R2分壓后低于2.5 V，基準穩(wěn)壓源U2陰極為高，光耦U1不導通。則輸入電壓通過電阻R4與R6分壓后驅(qū)動MOS管Q1完全導通，并聯(lián)電阻R5被旁路，后端設(shè)備正常工作；穩(wěn)壓管D1鉗位Q1驅(qū)動電壓以保護MOS管；穩(wěn)壓管D2鉗位光耦U1輸入端陽極電壓以保護該光耦。

在尖峰電壓狀態(tài)，隨著輸入電壓的升高，R1與R2分壓后高于2.5 V，基準穩(wěn)壓源U2陰極為低，光耦U1導通，R6兩端電壓被拉低，MOS管Q1關(guān)斷，輸入電源通過電阻R5給后級電子設(shè)備供電。尖峰電壓能量被R5以熱能形式消耗。

尖峰電壓消失后，MOS管Q1導通，R5被旁路，重新回到穩(wěn)定工作狀態(tài)。

本尖峰電壓抑制電路的器件選型及參數(shù)計算應遵循以下原則：（1）電阻R5的選型及取值非常重要，R5應選擇抗電壓浪涌線繞電阻器，其阻值應根據(jù)尖峰電壓峰值與額定工作電流有關(guān)；（2）應明確尖峰電壓的峰值與額定工作電流，保證尖峰電壓瞬間，輸出電壓不能低于后級電子設(shè)備的最低輸入電壓。

3 仿真驗證

為滿足相關(guān)機載標準中電壓躍變試驗要求，本設(shè)計按圖2所示電路進行仿真，輸入電壓從180 V躍變?yōu)?50 V，產(chǎn)生一個峰值為450 V，持續(xù)時間為1 ms的尖峰電壓，濾波器后級負載電流在額定電壓270 V時約為4.4 A，應保證電壓躍變期間，電子設(shè)備可正常工作且不能出現(xiàn)性能降低。

為保證尖峰電壓被抑制在380 V以下且不能低于后級電源的最低輸入電壓180 V，取R5為47 Ω電阻，其額定功率為2 W。

考慮到基準穩(wěn)壓源U2參考輸入端電流一般為2 μA左右，為避免此端電流影響分壓比，并降低噪音影響，一般取流過電阻R2的電流為參考輸入端電流的100倍以上，故此電阻要小于2.5 V/200 μA=12.5 kΩ?？紤]到待機功耗，在滿足小于12.5 kΩ的情況下盡量取大值。故本設(shè)計中選取R2為7.5 kΩ，選取R1為1 100 kΩ(5個220 kΩ串聯(lián))。經(jīng)計算，過壓保護點為369 V。

本電路用于450 V/1 ms尖峰電壓抑制，約369 V尖峰電壓時觸發(fā)其抑制功能，以保護后級電源模塊正常工作，在369 V以下不動作。選用光耦U1的推薦工作電流為5 mA，其最大輸入電流為30 mA，故應保證在369 V以下其電流超過其工作電流，且在450 V電壓尖峰時電流不超過30 mA而導致?lián)p壞?？紤]到待機功耗，R4電阻取值75 kΩ，為5個15 kΩ電阻串聯(lián)。

按照圖2原理圖及上述參數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PSpice仿真結(jié)果圖

由仿真結(jié)果可以看出，當尖峰電壓出現(xiàn)時，光耦U1導通，MOS管Q1的柵極電壓被拉低，輸出電壓被抑制在約340 V左右，尖峰電壓被R5吸收。尖峰電壓過去后，光耦U1關(guān)斷，MOS管Q1重新導通，輸出電壓350 V。

仿真結(jié)果與理論分析相符。

4 試驗驗證

按照仿真參數(shù)進行試驗驗證，因現(xiàn)有設(shè)備無法模擬試源輸入電壓躍變時的電壓尖峰，本測試只模擬輸入尖峰電壓時MOS管Q1關(guān)斷及尖峰電壓過后Q1重新導通的瞬間，分別如圖4所示。圖4中，CH1為穩(wěn)壓管D2兩端電壓，即光耦U1的輸入電壓；CH2為穩(wěn)壓管D1兩端電壓，即MOS管Q1的驅(qū)動電壓。

圖4 實驗波形

由圖4試驗波形可以看出，當尖峰電壓出現(xiàn)時，MOS管Q1的柵極電壓迅速被拉低；尖峰電壓過去后，MOS管Q1的柵極電壓被拉高，重新導通。

試驗結(jié)果與理論分析計算及軟件仿真結(jié)果相符。

5 結(jié) 論

本文介紹了直流270 V機載電子設(shè)備在正常工作中需要承受的兩種尖峰電壓：軍標中要求的600 V/10 μs尖峰電壓以及機載供電電源電壓切換時產(chǎn)生的450 V/1 ms尖峰電壓，對上述尖峰電壓提出了抑制處理措施。針對600 V/10 μs尖峰電壓，因其能量較小，僅需在線間并聯(lián)1 μF以上電容即可吸收抑制；而針對450 V/1 ms尖峰電壓，需要專門的抑制吸收電路。本文提供了一種可靠的抑制吸收電路，并對該電路進行了仿真和試驗驗證。仿真及試驗結(jié)果證明了該抑制電路的可行性。