航天器产品限流电阻保护设计方法研究

2021-04-14王伟荣刘向阳罗亚斌石慧杰

载人航天 2021年1期

王栋，王伟荣，刘向阳，罗亚斌，傅巍，石慧杰

(1.中国航天员科研训练中心，北京100094；2.中国电子科技集团第四十九研究所，哈尔滨150001；3.中国电子科技集团第四十八研究所，长沙410111)

1 引言

航天器产品设计要求明确指出，下游负载要具备过流保护功能。当前，航天器产品过流保护措施一般分为固态功率电子开关、熔断器、限流电阻3种。其中，固态功率电子开关主要应用于100 V母线上的设备，具有寿命高、响应快、无噪声、可靠性高、加电可恢复等优点。但由于半导体器件的固有特性，固态功率电子开关又具有导通后管压降大(一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大)、关断后有微安到毫安的漏电流、体积大等缺点。熔断器的优点是结构简单、使用方便，但熔体熔断受电流、时间、熔化系数等多方面影响，实际工作中不容易有效熔断。在载人航天器中，通常要求选用额定电流大于0.5 A以上的规格型号。上述2种过流保护措施均不适用于输入电压低、电流小的传感器产品。

航天器中很多传感器单机供电电压为12 V，电流大部分为毫安级，往往选择限流电阻实现过流保护。当前规范并没有对限流电阻的设计方法提出具体要求，导致下游单机设计单位设计标准不一致。本文对限流电阻的保护方法进行深入分析，给出基本设计原则，提出限流电阻功率接近和远超额定功率2种工况下的详细设计方法，并以3种常用传感器限流电阻保护电路为例，采用不同阻值、同封装和同阻值、不同封装进行试验验证。

2 限流电阻设计方法

2.1 基本设计原则

限流电阻串联在电路最前端，用以限制或隔断电流，以防产品短路时，电流过大影响上游设备。限流电阻根据产品短路时的功效可以分为2种过流保护模式:①短路时通过电阻限流保护上游配电器，此时限流电阻基本工作在额定功率内；②短路时电阻直接烧断或近似开路，隔离故障，保护上游配电器，限流电阻工作功率远大于额定功率。限流电阻的基本设计原则如下:

1)一般情况下，航天器各分系统28 V和12 V的产品供电大部分来自子各分系统控制器DC/DC变换器二次变换，配电输出。产品短路时，在电阻过流保护期间，一定不要触发上游DC/DC的保护。根据欧姆定律可得不等式(1)和(2):

式中均默认2个电阻并联，每个阻值为R。公式(1)适用于理论推导，公式(2)适用于实际选用。式中，V为供电电压，I为过流时2个电阻上流过的总电流(即过流时的保护电流)，P为上游DC/DC的剩余保护功耗。上游剩余功耗固定时，从式(1)可知，R越大越好。如果保护电阻总功率超过P，则会触发上游DC/DC变换器的保护，影响连接在同一DC/DC上的其他产品。假设上游DC/DC的保护电流为I，DC/DC下游负载的最大额定电流为I s，产品正常电流为I，则存在式(3):

2)限流电阻采用多电阻并联，防止单点失效。限流电阻要充分考虑设备工作时自身功耗，严格按照元器件降额准则执行。

假设I为产品正常电流，若2个限流电阻并联，则每个电阻上正常功耗为I×I×R/4。从公式(4)可知，选择限流电阻时，R越小越好，P越大越好。

式中，β为降额因子，P为电阻的标称额定功率。

3)增加限流电阻后，要考虑电阻上的压降不会影响后面电路的正常工作。从公式(5)可知，选择限流电阻时，R越小越好，这样电阻上降压越小，后端电路分压越大。

2.2 限流电阻功率接近额定功率时设计方法

在产品发生短路故障时，电阻起到限流作用，要求电阻上消耗的功率不要超过该电阻的标称额定功率，如式(6)、(7)所示:

从式(6)可知，如果电阻发挥限流作用，则R越大越好，并且P尽量大。

实际设计中式(6)不容易满足。考虑电阻分压，一般情况下，电阻R不能选很大，其标称额定功率也较小。尤其是供电电压为28 V时，更不容易满足条件。当V＝28 V，选择额定功率为0.25 W的电阻，其阻值R≥3136Ω，但是大阻值分压会影响后级电路，所以这种限流模式适用于小电流电路，28 V的供电产品一般选择熔断器作为过流保护措施，而不推荐选用限流电阻。

考虑电阻抗过载能力，电阻上消耗的功率不应超过该电阻标称额定功率的γ倍，如式(8)、(9)所示:

式中，γ为功率允许倍数，针对γ的设定，本文后续进行了试验验证。

综上，限流电阻选择要参考式(1)～(9)，权衡给出合适的电阻。此外选择电阻时，还要考虑外形封装尺寸的影响，同一阻值，推荐选用封装大、额定功率大的电阻作为限流电阻。

2.3 限流电阻功率远超额定功率时设计方法

产品短路瞬间，若限流电阻实际功率远超额定功率，则电阻被瞬间烧断或阻值变大近似开路，实现瞬间故障隔离，短路后电阻瞬间功率远超于其额定功率，如式(10)所示:

从公式(10)可知，瞬间熔断需要电阻R值选小，P尽量小，α尽量大。其中α为烧断倍数，一般手册上给出电阻的功率烧断倍数为2.5倍，但是实际情况下，当烧断倍数达到2.5倍时，电阻并不会被烧断。并且，如果烧断功率不够，在过流过程中，电阻周围的PCB、三防漆等非金属材料可能会先于电阻而烧坏，存在隐患。

选择合适的限流电阻值还要参考公式(1)～(5)权衡得出，同时建议使用航天目录电阻型号产品。

3 试验验证及分析

3.1 试验1

某航天器分系统产品电导传感器由分系统控制器提供28 V配电，其过流保护电路由2个电阻并联实现。设计保证产品一旦过流，电阻便被烧断，将故障隔离。图1为试验原理图。

图1 试验原理图Fig.1 Schematic diagram of the test

按照产品设计，搭建一个由2个电阻和1个二极管组成的电路板(图2)，二极管加在产品前端，防止反向接反，PCB三防，元器件点胶，共设计3块电路板。按照式(1)～(5)和式(10)的原则，选择功率为0.1 W，电阻值为100Ω，封装较小的2012片式膜固定电阻器为限流电阻。

图2 试验1的实物Fig.2 Photo of test verification 1

输入电压从6 V开始，逐渐增加，使电阻上的功耗增加，观察瞬间烧断倍数和规律，结果详见表1。表1可以看出，选用2012片式/0.1 W/100Ω电阻，PCB电路板刷三防漆，单个电阻功耗在0.91～1.1055W时电路板冒微量烟，说明三防漆等非金属材料开始燃烧；功耗到1.314 W时，焊盘熔化烧焦；随着能量积累，功耗逐渐增至1.54W左右，电阻冒烟，此时功耗为电阻额定功率的15.4倍，断电后测量电阻为千欧级；更换02号电路板重新试验，单个电阻功耗到2.652 W时，1个电阻烧断，此时功耗为单个电阻额定功率的26.52倍；更换03号电路板，重新试验，单个电阻功耗到5.4W，2个电阻直接从中间烧断，此时功耗为单个电阻额定功率的54倍。

3.2 试验2

某航天器分系统大多数传感器为12 V供电产品，按照产品设计，搭建由2个电阻组成的电路板，总共4块。与试验1相比，考虑减小电压，在相同功耗下，选择阻值为20Ω，同封装2012/0.1 W片式膜固定电阻器为限流电阻。

输入电压从1 V开始逐渐增加，从而使得电阻上的功耗增加，考察瞬间烧断倍数和规律。结果详见表2。

表1 试验1选用2012片式/0.1W/100Ω电阻试验结果Table 1 Results of test 1 w ith 2012/0.1W/100Ωresistor

表2 试验2选用2012片式/0.1W/20Ω电阻试验结果Table 2 Results of test 2 w ith 2012/0.1W/20Ωresistor

表2可以看出，选用2012片式/0.1 W/20Ω电阻，PCB电路板未刷三防漆，未点胶，直接裸板裸电阻，观察电阻情况。当单个电阻的功耗达到0.83W，即额定功率的8.3倍时，电阻极烫，焊锡熔化，焊盘发黑，有少量烟；能量积累功耗逐渐增至1.25W，电阻损坏，断电后电阻断开；02电路板直接输入12 V电压，此时功耗为额定功率的72倍，电流瞬间变小，电阻损坏，由于损坏时间过快，电阻表面未看出异常，没有出现烤焦变黄和冒烟情况；03、04电路板重复试验，试验现象一致。

3.3 试验3

按照产品设计，搭建一个由2个电阻组成的电路板，共2块。仍然选择12 V供电产品，额定功率为0.25W，电阻值为20Ω，封装选用比较常见的3216片式膜固定电阻器为限流电阻。

输入电压从2 V开始逐渐增加，持续加电20 min，从而使得电阻上的功耗增加，考察瞬间烧断倍数和规律，详见表3。

以纳米粒度分析仪测得复方精油微胶囊的大小与分布,如图所示,A样品运用异丙醇为脱水剂,最佳配方的粒径为259.9±17.8 nm; B样品以冷冻真空干燥直接脱水,最佳配方的粒径为188.2±25.6 nm。后者粒径明显小于前者,分布更加均匀。

表3 试验3选用3216片式/0.25W/20Ω试验结果Table 3 Results of test 3 w ith 33216/0.25W/20Ωresistor

表3可以看出，选用3216片式/0.25 W/20Ω电阻，PCB电路板未刷三防漆，未点胶，直接裸板裸电阻，在这种封装下，当α＝5倍时，电阻极烫，焊锡熔化；当α＝7倍时，电阻附近泄漏黑色疑似液体胶状物(图3)，不断有气泡冒出，同时闻到明显烧焦气味；当α＝9.45倍时，电阻损坏。02块电路板α＝28.8倍时，电流突降，电阻损坏，由于烧断时间过快，电阻表面未看出异常，没有出现烤焦变黄和冒烟情况。

图3 试验3烧断电阻照片(黑色胶状物质)Fig.3 Photo of burnout resistor(black colloidal substance)in test 3

3.4 试验分析

1)通过试验1和试验2可看到，相同封装，相同额定功率，阻值越小越容易烧断。实际选择限流电阻时，不是阻值越小越好，要兼顾考虑上游变换器的能力和产品输入电压，在电压为28 V情况下，电阻不能太小。

2)通过试验2和试验3可看到，相同阻值，相比3216封装，额定功率小的2012片式封装电阻更容易烧坏，虽然不能烧断，但是阻值变大，可以隔离故障。实际选择限流电阻时，还要根据式(1)～(5)、(10)，参考其他因素，综合考虑。

3)手册上烧断倍数为2.5倍是不可靠的，试验中此时电阻没有明显变化；电阻功率在额定功率4倍之内时，电阻及周边非金属材料可靠；电阻功率超过额定功率4倍时，焊锡开始熔化，并冒烟；电阻功率超过额定功率54倍时，可以可靠被瞬间熔断或烧毁电阻。所以在设计时一定要避开α在4～54倍范围，因为这个范围内，电阻阻值可能正常，但是周边非金属材料会有冒烟，烧糊现象，这会影响航天员及地面人员正常判断，也有可能引起舱内烟火报警，带来更大隐患。

4)限流电阻功率接近额定功率设计时，考虑电阻抗过载能力，电阻上消耗的功率不应超过该电阻标称额定功率的γ倍。当额定功率为0.25 W时，功率允许倍数γ≤4；额定功率为0.1W时，γ≤8，其他情况要保证单个电阻功率＜0.8W。

5)通过以上3项试验也证明了28 V和12 V供电的某型号传感器限流电阻设计的合理性。该产品在完全短路的情况下，设计电阻瞬间烧断或阻值变大，可以隔离短路故障。但由于电阻的离散性，并不是每个批次电阻都能可靠烧断，所以在产品设计时一般不建议采用限流电阻工作远超额定功率设计，尤其是不推荐在真空环境下使用。但若必须进行此类设计，可以参考本文计算方法和试验数据，并开展相应试验验证。