保护电路设计与应用对机载成品性能的影响

2020-11-11郭宸佑

科技视界 2020年31期

郭宸佑马劼李铁

（航空工业西安飞机工业<集团>有限责任公司总装厂，陕西阎良 710089）

0 引言

鉴于电路内部及外界环境存在一些不稳定因素，在信号传输过程中，会产生如静电、噪声、杂波等干扰信号，影响信号输入和输出，甚至损坏机载成品。因此，需要设计相关电路对成品内部电路进行保护，完成对干扰信号的过滤与清除。随着现代飞机集成化程度的提升，装机成品除了满足各子系统的功能，还需要进行信息交联达到功能综合的目的[1]，因此单一成品的功能失效，就会对全机性能产生不可逆的影响，保护电路的设计就显得尤为重要。

传统的电路设计分为模拟电路、数字电路、集成电路、射频电路等，在电路设计过程中容易出现电气设备配置地点不合理、电线配置方式不合理、电线接触不良、极性连接相反、保护电路设计不合理等问题[2]。其中保护电路设计需要综合考虑成品工作时所处环境，同时兼顾成品内部相关电路布局、接口定义、成品尺寸、成品重量等技术指标，制定出有针对性的设计方案。

1 系统组成和功能描述

1.1 某型机APU起动原理

辅助动力装置（APU）是一种安装在大型飞机上的独立小型燃气涡轮发动机，是除飞机主发动机外的一台动力装置，它的作用是向飞机独立提供电源和压缩空气，也可以提供附加推力[3]。

某型机APU工作系统包括APU安装架、APU进排气系统、APU冷却系统、泄漏系统、APU起动电气控制、参数采集及处理、加温系统、滑油系统等。其中APU起动电气控制的主要任务是将APU转子由静止状态带动到转动状态，并加速到独立工作状态；同时向APU燃烧室供油，将燃烧室的油气混合气点燃，使涡轮正常工作，同时参与加速APU转子转动。APU起动电气控制系统主要由起动发电机、自动起动器、起动箱、电子调节器、工作时间记数器、进气门操纵电动机构等组成。在APU起动时，直流起动发电机作为电动机带动APU转子转动，采用逐级起动的方式起动APU。整个起动过程受自动起动器和电子调节器控制。

1.2 电子调节器功能及工作原理

电子调节器主要由转速传感器模拟器、定值器组合、断续信号发生器和检查逻辑电路等组成。工作时与热电偶、转速传感器配合工作。当APU转子达到给定转速时，转子输出相应的电压信号，在APU涡轮后燃气温度达到极限排气温度以及转子转速达到极限转速时，输出APU停车信号，使APU停止起动。其中转速传感器是一台测速发电机，用来感受APU转子转速，将转子转速转换成电信号，传递给电子调节器。热电偶是测量涡轮后燃气温度，将燃气温度转换成电信号，传递给电子调节器。电子调节器接收相关信号

后进行处理，将处理后的信号与定值器内部预先给定的信号进行对比，再经断续信号发生器变换成与APU各给定转速相对应的指令电压输出，控制APU自动起动器中继电器的工作。

2 APU起动通电检查过程

APU起动可分为地面起动、冷运转、假起动、空中起动等。在总装阶段进行APU起动通电检查时，用信号发生器模拟APU起动时所需要的转速信号，向电子调节器输入电压及频率信号；用APU起动模拟器（以下简称起动模拟器）来模拟APU，起动模拟器上的信号灯工作状态来模拟起动时APU各附件的工作状态。若APU正常起动，位于驾驶舱APU起动控制板（以下简称起动控制板）上的 “准备起动”灯熄灭，“APU工作”绿色信号灯燃亮；若APU没有正常起动，位于起动控制板上的“准备起动”灯燃亮，“APU工作”绿色信号灯不燃亮，APU需要重新起动。

2.1 电子调节器的自检

在进行APU起动通电检查时，首先对电子调节器进行自检。通过操作起动控制板上的自检按钮，观察驾驶舱多功能显示器画面页及起动控制板上指示灯的燃亮情况以及操作起动模拟器上的K2、K3开关模拟APU工作状态来对电子调节器进行自检。

2.2 APU起动检查

在电子调节器自检正常后，可进行APU正常起动、APU冷运转、APU假起动、APU停车等项目通电检查，以上检查均需要操作起动控制板上的开关、按钮。不同的操作方式可进行不同的项目检查。APU正常起动时用信号发生器向电子调节器输入APU起动时所需要的转速信号，经过电子调节器处理后，向自动起动器输出控制信号，再由自动起动器控制起动模拟器。APU起动时的具体现象如上所述。

3 APU起动通电故障分析

3.1 故障现象

通过上述分析发现，进行APU起动通电检查时，在电子调节器自检正常的状态下，观察起动模拟器上各指示灯的燃亮状态来确定APU的起动情况。某型机在进行APU起动通电检查时，电子调节器自检正常，进行APU正常起动检查，起动模拟器上的各指示灯起始状态燃亮正常，当调节信号发生器，向电子调节器输入90%转速信号时，起动模拟器上的APU工作指示灯未按要求燃亮。同时，位于起动控制板上的“准备起动”灯燃亮，模拟APU起动失败。

3.2 故障分析

转速信号由信号发生器发出并传递给电子调节器，经过电子调节器内部电路处理再输出，总装阶段只模拟转速信号。起动控制板发出控制信号，经APU起动控制盒传递给电子调节器，同时由信号发生器发出的转速信号传递给电子调节器，电子调节器将信号输出至自动起动器，自动起动器控制起动模拟器上的信号灯。

结合以上工作原理及某型机APU通电检查要求，分析故障产生原因如下。

（1）各连接器与成品未对接到位或连接器内部针孔错位，造成信号无法正常传输。

（2）自动起动器无信号输出或无信号输入。

（3）电子调节器无信号输出或无信号输入。

（4）起动模拟器内部线路故障。

图1 转速信号处理电路

经机上排查，确认连接器对接到位，连接器内部针孔无错位；用示波器监测信号发生器输出端，输出端的频率及电压信号正常；用信号发生器向电子调节器输出电压及频率信号，同时测量电子调节器输出端电压，发现无电压输出，因此可以判断为电子调节器故障。结合起动前电子调节器自检正常，成品校验正常，说明成品在机上进行系统联式时，外界存在干扰信号造成内部电路故障。

4 保护电路的设计与应用

通过对故障的排查，发现外界干扰信号对电子调节器内部电路产生影响。进一步分析电子调节器内部电路，提出改进方案。

4.1 电子调节器内部电路分析

电子调节器主要有自检、超温保护和转速信号转换功能，对应的电路根据上述功能进行设计。其中转速信号转换电路包括转速信号处理电路和转速逻辑电路。电路设计如图1、图2所示。图1为转速信号处理电路，转速信号经放大后通过LM131模拟集成f/V转换器将转速信号转换为对应的电压信号，并通过电压跟随电路来提高带载能力。图2为转速逻辑电路，根据转速信号的频率可以算出经LM131频率/电压变换后的各阶段转速对应的电压值，将频率/电压转换后的电压与对应的基准电压值进行比较，如设置的比较电压为5.43V（对应转速108%），当转速大于108%时，比较器输出高电平驱动固体继电器工作向自动起动器发出电压信号。

4.2 电子调节器内部电路故障定位

结合通电检查故障现象，对U11放大器输入5KHz的转速信号，对应U11放大器应有对应5KHz的转速信号输出，但实际检测时发现U11有输入、无输出，可以确认U11放大器故障。

4.3 电子调节器内部电路的改进

通过故障现象可以看出，在系统联式过程中有可能会对成品输入端施加干扰信号，该信号对电子调节器内部电路造成损坏，为提高电子调节器的适应性，需对其内部电路信号输入端增加保护措施。

在电路的转速信号输入端外接测速发电机，输入频率为1 kHz～5.4 kHz，幅值为0.6 V～4 V的正弦信号，通过U11对该频率信号进行幅值放大，经光电隔离后，通过频率/电压转换器将频率信号转换成对应的电压信号。因此，转速信号输入端即为U11放大器的输入端，对输入端的保护即为对U11输入端保护。保护电路设计如图3所示。

图2 转速逻辑电路

图3 U11的保护电路

保护电路中C1、C2选用电压为500 V，容量为0.66μF的无极性介质电容，用于滤除测试过程中输入端引入的直流信号。R1、R2、D1和C3组成输入端差分信号保护电路。其中R1和R2为限流电阻，为避免阻值过大在输入端引入额外噪声，阻值为510Ω。D1为TVS管，用于抑制输入端浪涌电压，R1、R2和C3组成滤波电路，用于滤除输入端的高频信号。

4.3.1 TVS管的选择

TVS管在规定的反向应用条件下，可承受一个高能量的瞬时尖峰电压，工作阻抗能立即降至很低的导通值，并将电压箝位到TVS管箝位电压值，从而有效保护线路中其他元器件免受损坏。U11的电源电压为12 V，正常使用时输入端信号幅值小于5 V，当TVS管的最大反向电压为6 V时，击穿电压为7.05 V，最大箝位电压为9.18 V。选用SY195CAS型双向TVS管，该器件击穿电压为7.22 V，箝位电压为11.2 V，功率为3 kW，允许的正向浪涌电流可达到267 A。

4.3.2 C3电容的选择

R1、R2和C3组成低通滤波电路，用于滤除输入端的高频信号，输入端频率1 kHz～5.4 kHz，电阻为510Ω，频率信号幅值最低为0.6 V，确定C3的容值为56 pF。

4.3.3 其他元器件的选择

R1～R4、C4、C5、D2、D3 和 Q1～Q4 组成输入端共模保护电路，用于抑制输入端共模电压对器件的影响，R3和R4为接地电阻，阻值为100 kΩ，为输入端偏置电流提供一个DC返回路径。C4和C5为共模滤波电容，容值为680 pF。为避免输入端电压高于U11的电源电压，利用附加外部箝位二极管增加器件输入保护。因大多数普通二极管都具有很高的泄漏电流，在仪表放大器的输出端产生很大的失调误差，为避免误差，选择用三极管的PN节替代二极管，所用Q1～Q4三极管的漏电流为100nA，满足使用要求。在Q1～Q4组成输入端共模保护电路的基础上，增加TVS管D2、D3，增强后级电路的保护。

新增的保护电路只是用于U11输入端的保护，提高集成电路的可靠性及输入信号的抗干扰能力，不会影响集成电路的性能指标，不会影响电子调节器的正常工作。