一种用于星载设备的并联型启动电流抑制电路设计

吴玉田 孙吉利 禹卫东

(中国科学院电子学研究所，北京 100190)



一种用于星载设备的并联型启动电流抑制电路设计

吴玉田 孙吉利 禹卫东

(中国科学院电子学研究所，北京 100190)

针对目前常用的启动电流抑制电路存在难以标准化、系列化的问题，提出一种并联型的启动电流抑制电路，分析了其电路特点及适用场合。通过在某卫星载荷设备中使用的具体实例，验证了此电路能有效降低载荷分系统加电时的启动电流。测试结果表明，该电路可以成为使能端控制、集中供配电系统各单机的共享式启动电流抑制电路，亦可为同类设计提供参考。

启动电流；并联型启动电流抑制电路；共享式启动电流抑制电路

1 引言

在星载设备中，来自卫星的一次直流电源通过卫星总体电源控制器向各载荷设备供电，在设备加电的瞬间，电源会对设备中的滤波电容进行充电[1-2]，由于电容的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)很小，电容在充电瞬间近似短路，会产生很大的启动电流(Inrush Current)，电流峰值高达几十安培，相当于正常工作电流的几倍到十几倍。特别是当载荷设备所有单机同时加电时，各单机的启动电流叠加在一起，峰值可能会超过100 A。这么高的启动电流可能会导致继电器触点粘连、熔断器烧断，甚至超出电源系统输出浪涌电流能力，导致电源母线电压瞬间大幅度下跌，影响星上设备正常工作，对卫星电源安全造成威胁。

鉴于此，在星载设备供电回路中必须采取启动电流抑制措施，把启动电流限制在一定的范围内，确保星上各设备自身的启动电流小于电源系统母线提供的浪涌电流能力，确保电源母线安全，且不影响其它设备正常工作。

目前，在星载设备中，启动电流抑制电路往往串联在供电回路中，工作期间设备正常工作电流始终流经该电路，电路的元器件选择必须考虑设备正常工作电流的要求，难以做到标准化。

针对这种串联型启动电流抑制电路存在的不足，本文提出一种并联型启动电流抑制电路构型，能够有效解决这一问题。首先介绍常用启动电流抑制电路的共同特点，分析其不足，然后,在其基础上提出一种新型启动电流抑制电路构型，分析其设计思想，最后，结合采用该构型的某卫星载荷配电器的具体设计，通过试验及在轨测试，验证了此构型设计的正确性。

2 串联型启动电流抑制电路

在星载设备中，常用的启动电流抑制电路主要有限流电阻法、预充电法和以降低输入电压上升速率为目的的软启动法等[3-4]，这些方法对启动电流都有一定的抑制作用。但这些启动电流抑制电路用在各单机内部，如图1所示，在一次电源回路中，串联在熔断器保护电路与电磁干扰(EMI)滤波器之间。除了在加电期间产生的启动电流，工作期间正常工作电流也始终流经启动电流抑制电路，因此该电路的元器件参数(额定电流、额定功耗、热阻等)必须满足设备工作电流的要求。当单机功率比较小，工作电流在1 A以内，对启动电流抑制电路的元器件功率要求不高，体积、质量也不大，这种电路配置能够满足单机要求，可靠性也比较高。当单机功率较大，电流大于2 A时，对启动电流抑制电路的元器件选择带来困难，随着功率的提高，体积、质量都变大，须要采取特殊的散热措施，电路调试复杂化。这种串联型启动电流抑制电路与工作电流密切相关，不同单机中即使启动电流抑制电路原理、组成相同，元器件参数也往往不同，难以做到标准化。

图1 带串联型启动电流抑制电路的28 V供电电路Fig.1 28V power supply diagram with series circuit suspressing inrush current

3 并联型启动电流抑制电路

鉴于串联型启动电流抑制电路的不足，提出一种新的启动电流抑制电路构型：并联型启动电流抑制电路，它可以克服这一缺陷。

并联型启动电流抑制电路构型如图2所示，启动电流抑制电路首先与抑制电路开关串联，然后再与供电开关并联，形成一种与供电电路并联的启动电流抑制电路构型。采取这种构型的电子设备，加电时首先接通抑制电路开关，让电源通过启动电流抑制电路向设备内部等效电容充电，经过一小段时间(几百毫秒或1 s)开机启动电流已过去，再接通供电开关，让电源通过供电开关直接向设备供电，随后断开抑制电路开关，这时设备进入正常工作阶段，正常工作电流由供电开关提供，不流经启动电流抑制电路，断电时直接断开供电开关即可。这样启动电流抑制电路仅仅在加电瞬间工作，而正常工作由供电开关供电，从而大大降低了启动电流抑制电路的工作时间，提高了可靠性。另外，启动电流抑制电路与供电电路并联，即使该电路出了故障，也不影响供电电路，从而提高了设备供电可靠性。

图2 并联型启动电流抑制电路构型示意图Fig.2 Topology diagram of parellel circuit suppressing inrush current

目前，星载电子设备使用的电源模块一般都有使能控制端，如Interpoint公司的DC/DC有使能(Inhibit)控制端，Inhibit悬空，DC/DC处于使能状态、有输出；Inhibit接地，DC/DC处于禁止状态、没有输出。设备的开关机大部分是通过使能端控制的，在加电前，电源模块处于关机状态，在启动电流抑制电路接通期间只有启动电流，没有工作电流，这样启动电流抑制电路中元器件的参数与设备工作电流的大小关系不大，只与启动电流自身和电源设备所能提供的浪涌电流的大小有关，可以做成标准的、系列化、模块化电路，用在多个设备中，能有效缩短设计和调试时间。

这种并联型启动电流抑制电路既可以用在单个电子设备内部，也可以用在集中供配电的载荷配电器中，多个单机共享一个启动电流抑制电路，如图3所示，单机内不需要自己的启动电流抑制电路，简化了电路设计。本电路需要增加两个开关以及对开关进行控制的指令，这对单个电子设备来说可能是个问题，但对集中供配电的配电器来说，内部本身就有许多开关需要指令控制，这种并联型启动电流抑制电路特别适合设计在配电器内部，便于卫星星务子系统对这两个开关的控制。从分系统的角度出发，在供电开关的开关机次数并不增加的情况下，增加两条对抑制电路开关的控制指令，就可以实现分系统抑制启动电流的要求。

这种共享式启动电流抑制电路构型，就是普通启动电流抑制电路与供电电路的有机结合，各单机不再须要设计自己的内部启动电流抑制电路，从整体上优化了载荷设备的电路设计，减轻了单机的体积、质量的要求。

图3 共享式启动电流抑制电路Fig.3 Diagram of shared circuit suppressing inrush current

4 某卫星载荷设备中的启动电流抑制电路

4.1 带启动电流抑制功能的供电电路构成

在某卫星中，载荷设备由许多单机组成，各单机使用Interpoint公司的DC/DC模块，开关机使用Inhibit端控制，采取集中供配电方式，其中配电器就是其它各单机的电源分配者和开、关机控制者。启动电流抑制电路就位于配电器中，如图4所示，3个虚线框分别为图3中抑制电路开关、启动电流抑制电路和供电开关3个功能模块的具体电路实现，使用磁保持继电器作为电路开关，抑制电路开关使用一个磁保持继电器，供电开关由两个磁保持继电器并联构成，启动电流抑制电路选用基于P沟道MOSFET管的电路形式[2,5]，三者共同形成一种与图3类似的共享式启动电流抑制电路构型。在28 V一次电源加电前和启动电流抑制电路工作期间，各单机处于关机状态，只有在启动电流抑制电路工作过程结束后才可根据需要进行开关机。

抑制电路开关的接通和断开分别由两条指令(Inrush_ON和Inrush_OFF)控制，供电电源的接通和断开由另两条指令(28V_ON和28V_OFF)控制，在加电时先发出Inrush_ON指令，通过启动电流抑制电路向设备内部供电，等待1 s后，启动电流已过去，然后再发出28V_ON指令，随后发出Inrush_OFF指令。这时启动电流抑制电路已断开，各单机供电输入端加上28 V电源，而各单机还处于关机状态，各单机是否开机则通过单机自身的Inhibit端来控制。成像时各单机全部开机，成像结束，各单机关机，断电时直接发出28V_OFF。

4.2 电路工作原理

图4中的启动电流抑制电路本质上是一种以降低输入电压上升速率为目的的软启动电路。它属于软启动电路的一种，图5给出该电路的等效电路。在图5中Q1为MOSFET管，其偏置电路由2个电阻和1个电容组成，输入电压经电阻分压产生一个约10 V的电压，加在MOSFET的源极与栅极之间，为稳态工作提供偏置电压，电容与下边电阻R2形成一个积分电路，它与MOSFET管构成一个单稳态电路。

图4 某卫星载荷设备中的带启动电流抑制功能的供配电电路Fig.4 Power supply circuit with suspressing inrush current in a certain satellite payload devices

图5 启动电流抑制电路的等效电路Fig.5 Equivalent circuit of inrush current suspressing circuit

电路工作过程如下，当没有28 V输入时，C1上没有电荷，两端电压为零，场效应管Q1截止，当抑制电路开关闭合后，电路进入暂态，28 V输入电压通过R2向C1充电，电容两端的电压开始按指数曲线缓慢上升，当电压到达Vsg(MOSFET管源极与栅极之间电压)的门限电压时，MOSFET管开始导通，随着电容两端电压的进一步升高，MOSFET管进入饱和导通阶段，当电容充电完成后，单稳态结束，进入稳态，这时电容两端电压等于电阻的分压值，约为10 V，MOSFET管进入深度饱和状态，相当于一个闭合的开关。在暂态过程中，也就是MOSFET管进入饱和导通的过程中，输入电压通过MOSFET向后端电容(各电源模块前电容的等效电容)逐渐充电，延长了充电时间、降低了充电电流，从而使启动电流得到抑制。暂态时间的长短由时间常数R2×C1决定，调整R1、R2和C1的值，可以使设备端启动电流的抑制效果达到最佳。

4.3 测试验证

在测试验证中关键的一步是启动电流的测量[6]，有很多因素影响启动电流的测量结果。如直流电源瞬态特性、负载端抑制电路开关的开关速度、供电电缆的等效电阻等，对于直流电源来说，使用瞬态特性(如瞬态输出阻抗等)不同的直流电源测试结果会不同，同一电源使用不同的限流设置也会影响测试结果。启动电流抑制电路开关的响应时间关系到输出电压的上升沿的陡峭程度，会直接影响启动电流的测试结果。供电电缆的等效回路电阻会影响启动电流的最大值。总之，只有在相同测试条件下的测试结果才具有可比性，测量中使用的主要设备包括直流电源、示波器和电流探头。

测试分两个阶段进行。在第一阶段的测试中，配电器只向一个单机供电，测试结果如图6、图7和图8所示。

图6所示为未加启动电流抑制电路时的启动电流波形图，峰值为88.8 A，持续时间约为0.1 ms，如果所有单机都连上，启动电流将会更大，可见抑制各负载端启动电流非常有必要。

图6 初次加电时未经抑制的启动电流Fig.6 Waveform of inrush current without limit during powering up

图7为增加了启动电流抑制电路后各相关信号的波形图，波形1为启动电流抑制电路的输入电压，波形2为输出电压，该电压经启动电流抑制电路延迟了238.0 ms，电压上升速率明显变缓，从0 V到28 V用了约40 ms，波形3为电流波形，经启动电流抑制电路抑制后的启动电流峰值仅为448.0 mA，抑制效果非常突出，电流波形为下凹型上升曲线，与最佳启动电流波形[7]基本一致，这时MOSFET管最大功耗接近最小。文献[7]中详细讨论了启动电流的最佳抑制问题，认为使启动电流抑制管的最大瞬时功率最小为最佳抑制，并据此推导出满足该条件的佳启动电流，在该文的图5中显示了最佳启动电流波形，该波形与本文的启动电流波形基本一致。

图7 启动电流抑制电路中的相关信号波形图Fig.7 Waveforms of related signals in the circuit suspressing inrush current

图8重点关注了MOSFET管栅极的电压的变化情况，该电压在暂态充电过程中按照指数规律下降，利用示波器的数学运算功能，把波形1的输入电压减去波形2的栅极电压得到波形4的源极-栅极之间电压，可以看出该电压按指数规律从0开始增大，直到电阻分压值。波形3为抑制后的启动电流，峰值为416.0 mA，峰值后的电流为单机处于使能关机时系统静态电流值，约为20 mA。

图8 启动电流抑制电路中栅源电压Vsg波形图Fig.8 Vsg waveform of the circuit suspressing inrush current

上述测试结果表明，启动电流抑制电路的实际运行情况与分析完全一致，能有效抑制启动电流。该电路本质上就是延缓输出电压的上升，其上升时间由充电时间常数决定，通过改变充电时间常数，可以使启动电流满足系统要求。

第二个阶段的测试是在载荷设备联试时进行，这时所有单机都按照正常工作方式连接在一起，这种情况下的测试结果，最接近卫星在轨运行的真实状态。图9为未使用启动电流抑制电路时的加电启动电流波形。配电器向所有单机加电，启动电流峰值为187.5 A，持续时间约为100 μs。图10为使用启动电流抑制电路后的测试结果，启动电流峰值为1.76 A，持续时间约为24.7 ms，启动电流抑制电路已发挥了作用，启动电流过去后的稳态电流为195.0 mA，为载荷设备未开机时的静态电流。

图9 载荷设备联调时加电启动电流(未使用启动电流抑制电路)Fig.9 Waveform of inrush current in payload devices integration testing(without in-rush current suspressing circuit)

图10 载荷设备联调时加电启动电流(使用启动电流抑制电路)Fig.10 Waveform of in-rush current in payload devices integration testing(with inrush current suspressing circuit)

目前国内对星载设备启动电流要求基本相同，主要应满足以下3条：①启动电流大小应限制到其相应额定电流的1.5倍以内或2 A以内，取其较大者；②持续时间不大于5 ms；③上升斜率不大于105A/s。在图10中若按峰-峰值1.81 A计算，电流上升斜率为73.3 A/s,载荷分系统正常工作电流为5.46 A(分系统设备全部工作时的测试值)，对比后发现只有第二条不满足，持续时间大于5 ms，为24.7 ms，但考虑到启动电流的峰值受到抑制后，持续时间必然会延长。

联试结果说明，启动电流抑制电路发挥作用，有效降低了系统加电启动电流。

该卫星在轨测试期间配电器工作正常，启动电流抑制电路运行良好，保证了电源系统正常运行。通过在轨测试验证，说明这种并联型、共享式启动电流抑制电路能够有效保护星上电源安全运行。

5 结束语

针对从单机设计出发的串联型启动电流抑制电路的缺点，本文从分系统供配电技术的角度，提出一种并联型、共享式启动电流抑制电路，解决了串联型启动电流抑制电路存在的问题。这种并联型启动电流抑制电路构型，可以成为一种分系统共享式启动电流抑制电路构型的参考设计，符合标准化、系列化、模块化的设计思路，从而简化了单机启动电流抑制电路设计。该构型目前已应用在多个卫星项目中，包括上文提到的那个卫星项目在内，已有两个成功发射，一直运行良好，另外几个正处于研制中，在这些应用中，启动电流抑制电路的电路原理、组成等完全一致，大大节省了设计和调试时间，提高了研制效率。

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Sun Dinghao. Optimal restraint on the inrush current[J]. Aerospace Control,2007,25(4):87-91 (in Chinese)

(编辑：李多)

Design of Parallel Circuit Suppressing Inrush Current for Satellite-borne Electronic Devices

WU Yutian SUN Jili YU Weidong

(Institute of Electronics，Chinese Academy Sciences，Beijing 100190，China)

In view of the difficulty of standardization,serialization and so on in current common inrush current suppressing circuits,a parallelled circuit suppressiing inrush current is proposed in this paper.The characteristics of the circuit and its suitable situation is analyzed in detail.Through a practical case of the circuit in a certain satellite payload devices,it is verified that the circuit can effectively reduce the inrush current of the payload subsystem when it is powered on.The results show that the circuit can be used as a shared circuit suppressing inrush current for each device in centralized power distribution device based inhibit function.The results also provide reference for similar design.

inrush current;parellel circuit suppressing inrush current;shared circuit suppressing inrush current

2017-05-08；

2017-05-25

国家重大航天工程

吴玉田，男，硕士，从事星载设备供配电技术研究。Email：ytwu001@mail.ie.ac.cn。

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.010