星载电路浪涌防护的设计及其测试方法

干练 秦琨 陈赞 韦博 罗笑林

摘要：文章介绍了目前卫星星上单机设备启动/浪涌电流而进行改进的措施，以及相应的设备启动/浪涌电流的测试方法，规范浪涌的设计方法和测试方法，提出防浪涌設计参考电路。

关键词：卫星；防浪涌设计；测试方法

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0187-02

随着空间载荷平台技术的发展和应用任务需求的增加，卫星供电的纯洁度和稳定性的要求也在不断提高。目前，卫星产品上陆续发生过产品由于供电电路/接口电路设计时考虑不周，导致产品在整星联试过程中因启动/浪涌电流过大及从线缆上感应到其它设备的启动电流而使产品受损或产生误操作从而影响了产品/系统的生产进度，甚至影响了整星的正常工作。

1 简介

浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。浪涌是指当电压增加持续三毫微秒（十亿分之一秒）或更长时间时被称为浪涌。尖峰是指当电压增加仅持续一毫微秒或两毫微秒时被称为尖峰。

本文主要通过对工程实际运用中发生的由于启动/浪涌电流过大而导致的问题的故障案例进行汇总分析，并结合目前卫星产品为改善设备启动/浪涌电流而进行改进的措施，以及相应的设备启动/浪涌电流的测试方法，规范浪涌的设计方法和测试方法，提出防浪涌设计参考电路。

2 单机浪涌现象引起的普遍性问题及危害

在电路设计中，由于滤波的考虑及器件等的要求，在电路中增加一些电容在所难免，因此浪涌电流的存在也是必然的。在电源启动时，这些电容被迅速充电，微观上考虑相当于瞬间短路，产生很大的电流，这个电流是额定电流的几倍甚至是几十倍，如果浪涌电流大，这可能会破坏供电系统，影响其它电子设备的正常运行。有时会损坏电源、熔断器、EMI滤波器、整流桥、滤波电容，甚至印刷电路板等元器件。有时虽然看不到显性损坏，但是隐性损坏降低了设备的可靠性。

除了对供电链路上的设备产生影响，浪涌电流一旦感应到相邻的控制线或信号线上，将导致其它设备指令误操作或检测信号异常导致监控中心误判，并且还极易导致接口器件损坏，影响设备的功能和寿命。

3 浪涌抑制电路设计与分析

3.1 高速浪涌电流的基本原理

电容是一种储能元件。当电容两端电势不同时，电荷向电容的一个极板靠拢，从而导致电容充电现象。这种现象就是产生浪涌电流的根本原因。

电容充电的计算公式：Vt=V0+（V1-V0）*[1-exp（-t/RC）]

例如，对于图1所示电路，当把单刀双掷开关接至位置（1）时，电源向电容器充电，同时在示波器上出现充电波形。从波形图线可以看出，电容器的充电过程是暂态过程，仅在接通电源和短路的短时间里有短暂的电流，充电时电压随时间的变化图线是指数曲线。

如果改变图1中电位器的值（R↑），或更换电解电容（C↑），充电时电压的变化都趋于缓慢。说明表征充放电快慢的时间常数τ与电阻R和电容C有关，R和C越大，则τ越大（τ=RC），电压变化越缓慢。

3.2 浪涌电流保护电路的几种方案比较及分析

根据能量守恒定律，上电期间所需要的总能量是保持不变的，各种保护方法的效果就是减小瞬间电流的大小，将能量分摊到更很长的时间内，q=∫pt，总能量 q是不变化的，当t增加时，每个时间点上的电流i就会变小，使其达到电路可接受的范围。

3.2.1 串联电阻/NTC热敏电阻抑制浪涌电流

在回路中串联一个适当的电阻（把电阻换成负温度系数热敏电阻是一种改进），既可以把浪涌电流限制在可接受的范围内，又不影响产品的正常工作。

功率型NTC热敏电阻器是以过渡金属氧化物为主要原料制造的半导体陶瓷元件，属于负温度系数热敏电阻器范畴，当电流直接加在功率型NTC热敏电阻器上时，其电阻值就会随着电阻体发热而迅速下降。由于功率型NTC热敏电阻器有一个规定的零功率电阻值，当其串联在电源回路中时，就可以有效地抑制开机浪涌电流，并且在完成抑制浪涌电流作用以后，由于通过其电流的持续作用，功率型NTC热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。所以，在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻器，是抑制开机时的浪涌电流，以保护电子设备免遭破坏的最为简便而有效的措施。

但是，采用热敏电阻来抑制浪涌电流有他的缺陷，当连续几次加电时，由于热敏电阻不能有效的冷却，这样导致他的电阻一直很小，从而抑制浪涌电流的效果大大降低。

3.2.2 负端采用场效应管抑制浪涌电流

采用场效应管不仅可以有效的抑制浪涌电流，而且可以避免热敏电阻因连续上电不能有效抑制浪涌电流的缺陷，特别是在小电流、低电压工作时，场效应管可作为电压控制的可变线性电阻和导通电阻很小的无触点电子开关：

N沟道场效应管的漏极特性曲线，曲线可分为可变电阻区、恒流区、夹断区三部分。场效应管工作在可变电阻区时，ID随VDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受VGS控制，这样就可以把管子的D、S间看成一个受电压VGS控制的线性电阻。

为消除浪涌电流，应使场效应管在可变电阻区工作一段时间。由于正常开关工作时管子在可变电阻区时间极短，因此需要在栅极增加延时电路。R1与C1组成RC充电电路，R2与C1组成RC放电电路。C2为负载电路电容。

负载端分析：上电瞬间，C1与R1组成的RC电路对C1充电，此时场效应管Vgs电压为0，漏极和源极内阻Ri趋近于无穷大，电流Ids趋近于零。V2在C1充电过程中不断被抬高，此时场效应管工作于可变电阻区域，其内阻不断减小。当V2电势达到一定值时，场效应管进入横流区，DS导通。此时内阻很小，一般都在几个欧姆之内。根据不同的电路可以和电容充电公式t = RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]调整电阻R1及电容C1的大小，以达到对浪涌电流更好的抑制效果。

断电瞬间：C1和R2组成的RC电路对C1放电，理论与充电类似，不再赘述，由于放電时间很短，V2处的电势很快到达0伏，场效应管在极短时间内进入可变电阻区，这样就解决了热敏电阻对连续上电对浪涌电流抑制效果差的问题。

4 浪涌电流的测试方法

4.1 测试设备

4.1.1 供电电源

一般采用直流稳压电源；直流稳压电源需具有过流、过压保护功能，其纯阻性负载时的纹波峰峰值小于20mV；一次母线电源和二次母线电源电压分别按照100V、28.5V设置，一次母线电源应能提供负载工作峰值电流的5倍或12A电流，取其较大者；二次母线电源应能提供负载工作峰值电流的2倍电流。

4.1.2 供电开关

由于开关时间长短对浪涌电流幅值测试有重大影响，所以开关均采用磁保持继电器的形式（优先考虑到飞行器上供配电设备选用的继电器，单机内置继电器的设备可直接将其继电器作为供电开关）。测量时，供电开关的位置应尽量模拟飞行器上的实际情况（供电控制单元直接供电的负载，供电开关设置为靠近稳压电源）。

4.1.3 示波器

采用数字示波器进行测试，示波器带宽要求不低于500MHz，示波器电流测量探头带宽不低于100MHz。

4.1.4 负载

如果设备有下一级负载，且在飞行器上存在同时上电的情况，那么测试时需要带真实负载或相同功率的阻性负载测试。

4.2 测试方法

具体测试方法如图2。

（1）调节直流稳压源，使被测设备输入电压为标称值；（2）为模拟设备在系统上的真实接地状态，将负载设备外壳和供电电源地短接；（3）将负载设置为系统上被测设备加电时相同的工作工况；（4）示波器电压、电流测试点选取尽量靠近继电器，电压测量选取在继电器之前（靠近稳压电源一侧）；（5）将示波器电流探头置于供电正线输出端，示波器设置成上升沿触发方式，脉冲高度、触发电平以及触发脉冲宽度的设置根据实际情况而定；（6） 若设备存在带负载上电和独立上电两种加电方式，则还需测量设备空载时的浪涌电流；（7）抓取浪涌电流波形，得到浪涌电流最大值作为浪涌电流的幅值；以浪涌持续时间超过设备最大额定电流的电流持续时间为浪涌电流宽度。

5 结语

星上单机防浪涌的技术方法很多，也各有优缺点，在实际应用中应结合型号具体情况，综合考虑系统要求、选取最适合的方法来进行星上单机防浪涌设计。

参考文献

[1]H. Liu， S. Li. Speed control for PMSM servo system using predictive functional control and extended state observer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（2）：1171-1183.