機(jī)載電子設(shè)備欠壓供電電路設(shè)計(jì)

熊光虎

（中國(guó)人民解放軍77123部隊(duì)，四川綿陽，622669）

0 引言

我國(guó)航空事業(yè)的飛速發(fā)展，推進(jìn)了殲擊機(jī)、無人機(jī)等航空器的更新和發(fā)展，大量的機(jī)載電子設(shè)備被投入到應(yīng)用當(dāng)中，各類機(jī)型的性能都實(shí)現(xiàn)了很大提升。電源是機(jī)載電子設(shè)備的動(dòng)力源頭，電路的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生重大的影響。從現(xiàn)有的電源保護(hù)情況來看，其電路保護(hù)的情況，普遍在功能性上表現(xiàn)出較為單一的特點(diǎn)，并且使用的器件數(shù)量也比較多，想要實(shí)現(xiàn)多功能的保護(hù)，必須要將電路設(shè)計(jì)作為關(guān)鍵性內(nèi)容，對(duì)瞬時(shí)斷電后的設(shè)備工作情況進(jìn)行關(guān)注，保證其時(shí)刻處于不中斷的工作狀態(tài)，這也是機(jī)載電子設(shè)備穩(wěn)定化運(yùn)行的重要保障。

1 電路設(shè)計(jì)的基本思路

對(duì)于軍用航空器的機(jī)載電子設(shè)備而言，其配電系統(tǒng)中不乏大功率的設(shè)備，比如大功率發(fā)電機(jī)，其啟動(dòng)和關(guān)閉、大功率負(fù)載或是突然開啟和關(guān)閉，都造成電壓的瞬時(shí)升高或下降，容易造成過壓浪涌和欠壓浪涌等瞬態(tài)電壓[1]。想要各類機(jī)載電子設(shè)備都保持在安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中，需要對(duì)其電路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備而言，瞬時(shí)斷電和欠壓供電的情況都會(huì)給整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行帶來不利影響，容易影響到航空器整體運(yùn)行的安全性和可靠性。一般而言，為了對(duì)上述問題進(jìn)行積極處理，可以采用兩種模式來對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。第一種：利用儲(chǔ)能元器件。此種方式是在電路中增加儲(chǔ)能元器件，對(duì)其中所儲(chǔ)備電能進(jìn)行有效利用，來對(duì)瞬時(shí)斷電或欠壓供電環(huán)境下的機(jī)載設(shè)備問題進(jìn)行積極處理，對(duì)其正常工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效保證；第二種：利用升壓元器件。此種方式是在電路中增加升壓元器件，將處在瞬時(shí)斷電或欠壓供電問題的電子設(shè)備電壓，升壓至規(guī)定好的參數(shù)值當(dāng)中，以此維持設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)，避免出現(xiàn)死機(jī)、短路等問題[3]。本文將重點(diǎn)放到第二種電路設(shè)計(jì)模式的介紹和分析當(dāng)中，對(duì)升壓元器件進(jìn)行積極利用，以滿足可靠性要求較高、安裝尺寸和質(zhì)量要求受限的機(jī)載電子設(shè)備的瞬時(shí)欠壓情況，希望給我國(guó)航天器的機(jī)載電子設(shè)備發(fā)展的進(jìn)步提供一定的參考。

2 具體的電路設(shè)計(jì)分析

在本次所介紹的升壓元器件瞬時(shí)欠壓供電電路設(shè)計(jì)中，過流保護(hù)電路、控制電路、瞬態(tài)電壓抑制電路、濾波電路和DC-DC 轉(zhuǎn)換電路都是其主要的構(gòu)成元素[4]。該電路即使是處于瞬態(tài)8V 欠壓供電的環(huán)境下，依舊可以滿足不低于22 V的穩(wěn)定供電，讓電子設(shè)備時(shí)刻都處于不斷電的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中，為軍用航空器的機(jī)載電子設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性提供了重要的保障，其具體電路設(shè)計(jì)可如圖1所示。

圖1 機(jī)載電子設(shè)備瞬時(shí)欠壓供電電路圖

■2.1 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

固態(tài)繼電器是組成過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，本次的電路設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器（型號(hào)JGC-7M-2Y）來實(shí)現(xiàn)對(duì)過流電路的保護(hù)。對(duì)于固態(tài)繼電器電路而言，它有兩方面的功能和作用：一是具備開關(guān)的功能。當(dāng)圖1 中的管腳所控制的電壓處于＞3.6V的情況時(shí)，繼電器會(huì)呈現(xiàn)出開啟狀。當(dāng)管腳所控制的電壓處于＜0.7V的情況時(shí)，繼電器所輸出的電流和持續(xù)的時(shí)間會(huì)表現(xiàn)為大于保護(hù)電流和保護(hù)延時(shí)時(shí)間的現(xiàn)象，使得繼電器進(jìn)入到過流保護(hù)的狀態(tài)，其輸出也會(huì)處在關(guān)斷的狀態(tài)當(dāng)中，對(duì)保證電路的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。

對(duì)于過流保護(hù)電路而言，其在機(jī)載電子設(shè)備中所發(fā)揮的作用也有兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是在載機(jī)供電系統(tǒng)中可以發(fā)揮出保護(hù)的作用。電路過流現(xiàn)象容易給機(jī)載電子用電設(shè)備造成不良影響，使用固態(tài)繼電器將其與載機(jī)做好隔離處理，能夠在很大程度上減少不良影響的發(fā)生；二是能夠起到維護(hù)設(shè)備安全性的作用。當(dāng)機(jī)載電子設(shè)備出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)，一定要對(duì)供電電源做出及時(shí)的切斷處理，最大程度地減少“過流”對(duì)用電設(shè)備所造成的損壞，提高設(shè)備的安全性和完整性，減少資源浪費(fèi)問題的發(fā)生[5]。

■2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本次電路設(shè)計(jì)中的控制電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備輸入電源的上電、下電實(shí)施有效控制和處理，從而實(shí)現(xiàn)控制固態(tài)繼電器的功能。光耦器件是構(gòu)成控制電路的主要器件，對(duì)其進(jìn)行利用之后，能夠?qū)﹄娫纯刂菩盘?hào)和外部地線與機(jī)載電子設(shè)備內(nèi)部信號(hào)線和地線的連接做出隔離處理，在最大程度上減少對(duì)機(jī)載設(shè)備所產(chǎn)生的不良影響，保證設(shè)備處于不中斷運(yùn)行的狀態(tài)當(dāng)中。

■2.3 浪涌抑制電路設(shè)計(jì)

以相關(guān)規(guī)定作為主要的依據(jù)，但機(jī)載用電設(shè)備經(jīng)受欠壓浪涌時(shí)，其中每?jī)纱沃g的時(shí)間間隔需要保持在1min，并且需要注意到直流用電設(shè)備的欠壓浪涌，其數(shù)值為8 V/50 ms，該情況下的機(jī)載電子設(shè)備依舊需要處在正常的工作狀態(tài)當(dāng)中，不可出現(xiàn)中斷工作的現(xiàn)象[6]。由此可以看出，浪涌抑制的電路設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。因此，穩(wěn)壓模塊也是實(shí)現(xiàn)浪涌抑制電路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，本次電路設(shè)計(jì)所采用的穩(wěn)壓模塊（型號(hào)WPN-100S-N），降壓功能電路和升壓功能電路是構(gòu)成整個(gè)模塊的兩個(gè)重要內(nèi)容。其中降壓功能電路是對(duì)射極跟隨器的相關(guān)設(shè)計(jì)、功率開關(guān)器件的柵源壓差進(jìn)行利用，在輸入的電壓較設(shè)定值（36 V）高時(shí)，讓其無法實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通，以此種方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的有效控制，避免對(duì)相關(guān)的用電設(shè)備產(chǎn)生損壞等問題；升壓功能電路是對(duì)BOOST 開關(guān)進(jìn)行利用，以此種方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)的電路調(diào)整，在輸入電壓處于較設(shè)定值小的情況時(shí)，對(duì)該功能進(jìn)行啟動(dòng)，從而保證輸出電壓處在不小于22 V的狀態(tài)當(dāng)中，以此種方式來將電壓控制在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中。

■2.4 濾波電路設(shè)計(jì)

電容與電磁兼容濾波器共同組成本次電路設(shè)計(jì)中的濾波電路，其在機(jī)載電子設(shè)備中所發(fā)揮的重要作用即對(duì)外部電磁環(huán)境與關(guān)聯(lián)設(shè)備所產(chǎn)生的一些干擾性的信號(hào)，以保證航空器機(jī)載設(shè)備運(yùn)行的精確性和安全性。

■2.5 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在對(duì)DC-DC 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證該轉(zhuǎn)換電路在滿足《飛機(jī)供電特性》和《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》所規(guī)定要求的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)多功能指標(biāo)的小功率多路輸出的功能需求[7]。以本次電路設(shè)計(jì)所采用的DC-DC 轉(zhuǎn)換電路為，其輸入電源控制在15 ～50V，輸出功率為30W，以此來保證機(jī)載電子設(shè)備的多路輸出。

3 電路試驗(yàn)和分析

■3.1 功能試驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)機(jī)載電子設(shè)備欠壓供電電路的功能進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以采用功能試驗(yàn)的方式對(duì)其設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行一定的驗(yàn)證和分析。開展功能試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，利用穩(wěn)壓模塊的升壓模式可以為輸入電源（8V）的機(jī)載電子設(shè)備欠壓供電電路的后續(xù)工作提供足夠有效的電壓（22V）和電流（2A）的供給。穩(wěn)壓模塊（WPN-100S-N）能夠以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，為機(jī)載電子設(shè)備提供正常的工作功率，這說明以升壓模式為基礎(chǔ)的穩(wěn)壓模塊電路設(shè)計(jì)，能夠?yàn)榍穳汗╇姞顟B(tài)中的機(jī)載電子設(shè)備提供可靠性要求高且受尺寸、質(zhì)量限制的小功率電路，在軍用航空器的機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)中具有非常高的推廣性價(jià)值，對(duì)提升我國(guó)軍用航空器電子設(shè)備的應(yīng)用穩(wěn)定性具有重要意義。

■3.2 關(guān)聯(lián)試驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)本次設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以采用關(guān)聯(lián)試驗(yàn)的方式來對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。瞬時(shí)斷電特性試驗(yàn)是本次試驗(yàn)的主要方法，如表1 中數(shù)據(jù)所示，當(dāng)輸入電源從8V 升至28V 及其以上，或從28V 瞬時(shí)降至0V，在間隔30ms、40 ms、50ms 和100ms 后瞬時(shí)上升至28V 及其以上，就很容易造成機(jī)載電子設(shè)備頻繁死機(jī)的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因即穩(wěn)壓模塊處于瞬時(shí)升壓狀態(tài)下會(huì)有較大的電流需求產(chǎn)生，并伴隨著一定的持續(xù)時(shí)間，這種瞬態(tài)電流及其持續(xù)的時(shí)間都較前端過流保護(hù)值與過流保護(hù)狀態(tài)大，由此導(dǎo)致死機(jī)現(xiàn)象。具體可見以下數(shù)據(jù)，詳見表1。此項(xiàng)技術(shù)問題所造成的死機(jī)現(xiàn)象，容易給穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)欠壓供電的技術(shù)方式產(chǎn)生不良的影響，對(duì)其推廣和應(yīng)用造成一定的限制。

表1 欠壓供電和瞬時(shí)斷電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

■3.3 試驗(yàn)問題分析

分析處理過流保護(hù)電路所導(dǎo)致的設(shè)備死機(jī)問題時(shí)，可以先使用排除方法來對(duì)元器件本身可能存在問題做好排除處理，再對(duì)設(shè)備的死機(jī)問題進(jìn)行定位，最終將問題的原因歸穩(wěn)壓器的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，做出對(duì)問題的分析和處理。輸入電流瞬時(shí)升壓過程中的儲(chǔ)能器件設(shè)備內(nèi)的負(fù)載特性產(chǎn)生影響，致使其發(fā)生一定的變化，加之受到二者內(nèi)部參數(shù)變化的影響，會(huì)給瞬時(shí)升壓中充/放電功能的發(fā)揮產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而產(chǎn)生“沖突性問題”，最終導(dǎo)致過流保護(hù)電流進(jìn)入到過流保護(hù)的狀態(tài)當(dāng)中，出現(xiàn)機(jī)載電子設(shè)備的死機(jī)問題。方式來解決瞬時(shí)斷電或欠壓供電所致的死機(jī)問題；第二種是以第一種方式為基礎(chǔ)，利用增大過流保護(hù)時(shí)間的方式來處理死機(jī)問題；第三種是對(duì)穩(wěn)壓器的電容或電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其激增電流值處于小于過流保護(hù)電流值的狀態(tài)，激增電流持續(xù)時(shí)間處于大于過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間的狀態(tài)當(dāng)中。

■4.1 對(duì)固態(tài)繼電器的參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)

在對(duì)過流保護(hù)的電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，需要將試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為主要的調(diào)節(jié)依據(jù)，將其與本次試驗(yàn)的固態(tài)繼電器初始參數(shù)結(jié)合在一起來進(jìn)行確定，主要有兩個(gè)途徑的調(diào)節(jié)方式。第一種即對(duì)內(nèi)部的電阻參數(shù)值做升高處理，并高于比較器的正極電壓值，讓輸出端電阻值不變。此時(shí)的繼電器如果進(jìn)入到過流保護(hù)狀態(tài)當(dāng)中，就需要增大輸出電流，以此種方式來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)電流值的提升；第二種即對(duì)輸出電阻值的參數(shù)進(jìn)做降低處理，若繼電器進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)，就要增大輸出電流，以此種方式來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)電流值的提升。簡(jiǎn)言之，過流保護(hù)電流值的調(diào)節(jié)需要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，若瞬時(shí)激增的電流值處于過大的狀態(tài)時(shí)，采用增大繼電器過流保護(hù)電流值的方式來應(yīng)對(duì)瞬時(shí)斷電所產(chǎn)生的死機(jī)問題，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)過流保護(hù)功能無法發(fā)揮的現(xiàn)象，由此可得該處理方式不是萬能的，不適用過大的瞬時(shí)激增電流。

■4.2 對(duì)過流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行合理調(diào)節(jié)

在對(duì)過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，需要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為主要的依據(jù)，將其與固態(tài)繼電器的初始參數(shù)結(jié)合在一起來實(shí)施具體的調(diào)節(jié)工作。在開展相關(guān)的調(diào)節(jié)工作時(shí)，需要對(duì)幾個(gè)方面的問題多加關(guān)注：當(dāng)瞬時(shí)激增的電流持續(xù)時(shí)間達(dá)到秒級(jí)或以上的情況時(shí)，采用增加過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間的方式無法讓瞬時(shí)升壓所致的死機(jī)問題獲得良好的處理效果；當(dāng)瞬時(shí)激增電流的持續(xù)時(shí)間是不超過100ms的情況時(shí)，實(shí)施調(diào)節(jié)過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間的方式在處理瞬時(shí)升壓所導(dǎo)致的死機(jī)問題，可以獲得比較理想的技術(shù)效果。

4 問題和解決途徑

將關(guān)聯(lián)試驗(yàn)所驗(yàn)證的問題情況作為主要的依據(jù)，對(duì)所存在的問題進(jìn)行合理的解決，共有三種解決途徑。第一種是對(duì)保護(hù)器的電容、電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，利用增大過流保護(hù)電流值的

■4.3 對(duì)穩(wěn)壓模塊的參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)

以圖2的穩(wěn)壓模塊內(nèi)部原理圖為例，將該圖作為主要的依據(jù)，對(duì)電容 C1、C3、C4 和R2 值進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，可以讓Q1 在激增狀態(tài)下的電流值及其持續(xù)時(shí)間得到一定的控制，使得輸入電壓的激增電流保持在小于過流保護(hù)電流值的狀態(tài)，讓激增電流的持續(xù)時(shí)間處于大于過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間的狀態(tài)當(dāng)中，以此種方式來對(duì)瞬時(shí)升壓過程中的死機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行有效的解決?？傮w而言，在電路設(shè)計(jì)中實(shí)施對(duì)電容 C1、C3、C4 和R2 值的有效調(diào)節(jié)，在軍用航空器的機(jī)載電子設(shè)備的瞬時(shí)升壓死機(jī)問題中可以發(fā)揮出重要的作用。

圖2 穩(wěn)壓模塊內(nèi)部原理圖

■4.4 小結(jié)

當(dāng)機(jī)載電子設(shè)備輸入電源處于階躍模式時(shí)，對(duì)于過流保護(hù)電路器件和穩(wěn)壓模塊因相互干涉而出現(xiàn)的死機(jī)問題，總共有上述三種處理措施。過流保護(hù)器件的設(shè)計(jì)需要將過流保護(hù)電流、過流保護(hù)延時(shí)時(shí)間參數(shù)作為重點(diǎn)，穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)需要對(duì)輸入電壓階躍狀態(tài)下所產(chǎn)生的激增電流值進(jìn)行合理控制。

5 結(jié)論

總之，軍用航空器的各類機(jī)載電子設(shè)備具有嚴(yán)格的要求，需要保證在各類狀況下都保持處于正常運(yùn)行的狀態(tài)當(dāng)中，并且需要達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)要求。為了保證軍用航空器的機(jī)載電子設(shè)備在欠壓、供電轉(zhuǎn)換等中斷性條件下都處于正常工作狀態(tài)，需要對(duì)其電路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。儲(chǔ)能元器件和升壓元器件的使用是常見的兩種設(shè)計(jì)方式，為了更好地適應(yīng)當(dāng)下機(jī)載電子設(shè)備的高可靠性、尺寸小和質(zhì)量輕的發(fā)展趨勢(shì)，升壓元器件的電路設(shè)計(jì)更具有優(yōu)勢(shì)性，將其作為機(jī)載電子用具的電路優(yōu)化措施，對(duì)整個(gè)軍用航天器的機(jī)載電子設(shè)備發(fā)展都具有重要的意義。