载机电源适应性设计*

王志刚　张　崇

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所　宜昌　443003)



载机电源适应性设计*

王志刚张崇

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所宜昌443003)

摘要针对机载电子产品大多需满足GJB181的要求，论文对载机电源特性设计进行了分析，介绍了载机电源过压浪涌、尖峰脉冲的特点以及TVS管工作原理，论述了耐过压浪涌和耐尖峰脉冲电路的设计原则和方法。结合机载电子产品电源适应性需求，详细介绍了一种耐过压浪涌和尖峰脉冲电路设计。最后通过分析和实测，表明该电路能够有效抑制载机电源产生的过压浪涌和尖峰脉冲，从而顺利通过供电特性测试。

关键词GJB181; 电源特性; 过压浪涌; 尖峰脉冲

Class NumberTN702

1引言

载机在飞行和执行任务期间，机上供电系统会因为执行某种预定的工作任务而发生瞬态负载特性的变化，如:用电设备的通断、主发动机转速的变化、汇流条转换或者电源的同步和并联等，这时，系统电压出现“电压瞬态”[1]。电压瞬态包括转换工作时产生的电压尖峰和浪涌等。短时的瞬态电压(浪涌电压和尖峰电压)大大地超过稳态电源电压，可能使整个系统停顿、通信中止，当它加载到用电设备的芯片上时，往往造成误操作和芯片的损坏。因此，机载产品的电源模块必须要能抵抗浪涌电压和尖峰电压。

2载机电源特性要求

GJB181-1986《飞机供电特性及对用电设备的要求》，规定了飞机电气系统中用电设备输入端的供电特性，同时也对采用本特性供电的用电设备给出了相关要求，主要包括耐尖峰电压、耐过压浪涌、耐欠压浪涌和瞬时断电要求。

低压直流电源系统主要由直流发电机、调压器、保护器和滤波器等组成，当发电机工作在额定负载时，由于某种原因负载突然断开，或主要的大负载突卸，会引起发电机汇流条电压短时升高，产生过压浪涌；过压浪涌如图1所示，过压80V，持续时间50ms，过压浪涌是间歇性的，电路大部分时间工作在额定输入范围内。

在飞机电源系统中，用电设备存在电感和电容等储能元件，在电源接通和断开过程中也会产生浪涌电压和尖峰电压，特别是在感性负载断开和继电器转换过程中，形成几百伏、甚至上千伏的尖峰电压。同时，外界的雷电放电会在飞机的周围建立起变化的电磁场，电磁场能够通过金属蒙皮，或者直接穿透孔洞或其他非金属部位。由于场随时间变化，因此会在飞机内部的电路中感应产生瞬时的尖峰电压。GJB181要求用电设备应能通过直流电源线上的600V/10μs正、负极性的尖峰信号[2～4]。尖峰脉冲特性如图2所示。

图1　过压浪涌

图2　尖峰脉冲

3设计原理

3.1耐过压浪涌电路

对于过压浪涌，给出了如图3所示的耐过压浪涌电路。在额定输入时，输入侧通过电阻R给三极管提供基极电流，三极管导通；当输入侧发生过压浪涌时，稳压管击穿，输出电压为稳压值减去三极管发射结压降(通常为0.7V)。为了防止发生过压浪涌时，流过电阻R的电流过大，电阻R的取值较大。

该电路结构简单，由于三极管的导通压降，电路在额定输入时，损耗较大。如额定输入28V，输出电流10A，如果功率三极管的导通压降为2V，那么在额定输入情况下，三极管的损耗就有20W。由于R值较大，在额定输入情况下，基极电流较小，要使电路输出较大的电流，三极管的放大倍数应选得很大[5]。

图3　耐过压浪涌电路

3.2耐电压尖峰设计

处理瞬时脉冲电压对器件损害或电路功能影响的最好办法就是将瞬时电流从敏感器件或电路旁引开，常用的尖峰抑制器件主要是瞬态电压抑制二极管(TVS管)。TVS利用其PN结的反向特性对电路进行瞬态保护，当施加电压在一定范围内时，TVS呈高阻状态，当施加电压增加到某一值时，反向电流急剧增加并把电压钳位在预定的电压。其主要参数有:击穿电压VBR、钳位电压VC、最大反向工作电压VWM以及脉冲峰值功率PPP。低于击穿电压VBR是不会发生雪崩的，最大反向工作电压VWM是在正常状态时可承受的电压，一般VWM=(0.81～0.85)VBR。此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，尽量与被保护电路的正常工作电压接近。图5表明当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来的状态。因此，TVS器件能够抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路[6～10]。

图4　单向TVS二极管的伏安特性曲线

图5　脉冲功率与时间曲线

3.3尖峰电压的信号特征

4设计方案及测试结果

飞机在采用机载供电系统供电时，其输出范围为23V～32V；采用蓄电池供电时，电压范围为18V～24V[4]。按照GJB181要求，所有载机产品均要求能够适应载机电源特性。结合产品供电特性，要求能够将飞机输出电压稳定在25V±1V左右，该电压值能够满足大部分机载产品工作要求。

稳压电路采用分级形式设计，共分为三级，如图6所示。第一级是预稳压电路，主要作用是将机载电源产生的过压浪涌和尖峰脉冲稳定在50V以下输出给下一级；第二级是降压电路，主要作用是将第一级的输出电压降到28V左右输出给下一级；第三级是升压稳压电路，其主要作用是将输入电压稳定在25V。

图6稳压电路设计原理图

稳压电路的第一级主要由TVS管、稳压管、电阻和达林顿三极管组成一个预稳压电路，如图7所示。

图7　第一级预稳压电路

其中V1、V2为两只TVS管，最大击穿电压为105V，钳位电压为137V，尖峰电流为11A，瞬间功率为1500W，并联使用时耐受功率加倍。V3为稳压管，稳压值在50V～52V之间，功率为1.5W。V6为达林顿三极管，VCEO=350V，VCBO=700V，Hfe=300～2000，VCE(sat)=1.5V，VBE(sat)=2V，可过电流4A。第一级的作用是将80V/50ms过压浪涌和600V/10μs尖峰脉冲稳定在后级的65V输入电压范围之内。

三极管VCB≈VCE=137-52=85V<350V，满足指标要求。经过第一级预稳压电路最终可以把电压稳定的50左右。80V过压浪涌经第一级预稳压后输出稳定如图8所示，600V尖峰脉冲经第一级预稳压后输出稳定如图9所示。

图8　80V过压浪涌输入时第一级输出波形图

图9　600V尖峰脉冲输入时第一级输出波形图

稳压电路的第二级主要使用BUCK型的开关芯片LM2576HVS，和外围元器件组成一个降压电路，其电路图如图10所示。

此芯片的输入范围为3V～65V，带负载能力为3A。最终的输出电压计算公式为:Vout=1.23*(1+R2/R3)=25.8V，满足后级的4.5V～36V的输入范围，实际测量输出为26V左右。

稳压电路的第三级级使用BUCK-BOOST型的集成芯片LTM4609和外围元器件组成一个稳压电路，其电路图如图11所示。

图10　第二级降压电路图

图11　第三级升压稳压电路图

图12　耐过压浪涌测试波形

图13　耐尖峰脉冲测试波形

实测过程中，在稳压电路第一级输入端加入18V～32V电压时，第三极输出端可得到25V稳定输出；在第一级输入80V/50ms过压浪涌时，第三级输出端可得到25V稳定输出，如图12所示。在稳压电路第一级输入600V/10μs尖峰脉冲时，在第三级输出端存在24～26V/160μs抖动，如图13所示。因此，该电路设计能够满足使用要求。

5结语

本文针对载机电源的特性分析了耐过浪涌电压和耐尖峰脉冲电路的设计原则和方法。结合机载产品供电需求，详细介绍了一种分级设计的浪涌电压和尖峰脉冲抑制电路。该电路结构简单，升压和降压选用集成芯片，元器件体积小，性能稳定。经过实际测试和验证，此电路的浪涌和尖峰抑制性能良好，达到了设计目标，可以广泛应用于各种机载产品浪涌抑制和尖峰脉冲抑制的设备上。

参 考 文 献

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Adaptation Design of Aircraft Power

WANG ZhigangZHANG Chong

( No.710 Research Institute of CSIC, Yichang443003)

AbstractMost aircraft electronic equipment need to meet the demand of GJB181, to address this issue, the characteristic of the aircraft power is analyzed, the characters of surge, peak pulse and the operating principle of TVS (Transient Voltage Suppressor) are described, the principles and the methods are discussed to design the circuit of surge and peak pulse suppression. Combined with the adaptation of aircraft electronic equipment，a kind of surge and peak pulse suppression circuit is introduced in detail. After the analysis and test, the circuit can effectively suppress the surge and peak pulse.

Key WordsGJB181, power characteristic, surge, peak pulse

* 收稿日期：2015年11月27日,修回日期：2015年12月30日

作者简介：王志刚，男，硕士，工程师，研究方向：电子总体技术。张崇，男，工程师，研究方向：电子总体技术。

中图分类号TN702

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.034