直流270 V机载电子设备尖峰电压抑制电路

王 威，熊亚丽，吕剑明

（成都新欣神风电子科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

在应用中，电子设备的输入电压绝对不能超过其最大允许输入电压，否则很容易使该设备损坏或者触发其过压保护。但电子设备的输入电压常常由于某些原因，如输入源环路响应不及时、开关闭合瞬间接触不良、电压瞬间跃变等原因，造成很大的尖峰电压，该尖峰电压很可能造成后级电子设备损坏，或触发其输入过压保护、重启或停止工作，进而造成后级用电系统不能正常工作。因此，相关标准中要求直流270 V机载电子设备需要进行耐尖峰电压试验，进行耐尖峰电压试验的用电设备不应发生任何故障[1]。

1 尖峰电压

直流270 V机载电子设备需要承受的尖峰电压主要有两种：一种是相关标准中要求的尖峰电压，另一种是供电电源电压瞬间跃变时产生的一个短时尖峰电压。

1.1 标准中要求的尖峰电压

按照《系统电磁兼容性要求》（GJB 1389A—2005 ）中的规定：飞机系统中，宽度小于50 µs的尖峰电压信号（瞬变值）在直流电源线上的幅度不应超过额定直流的+50%（即+405 V）和-150%（即-675 V）；宽度大于50 µs的尖峰信号电压则应满足《飞机供电特性及对用电设备的要求》（GJB 181—1986）中相应的电源品质特性过压曲线[2,3]（600 V/10 µs）。按照《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》（GJB 151A—1997）中的规定：尖峰电压施加于电源线正负极之间，幅值为±400 V，宽度为5 µs[4]。

上述尖峰电压中能量最大的为《飞机供电特性及对用电设备的要求》中2.4.4.1规定的600 V/10 µs尖峰电压，该尖峰电压的峰值电压为600 V，持续时间为10 µs，信号发生器内阻为50 Ω。

1.2 电源电压瞬变产生的尖峰电压

直流270 V机载电子设备需满足相关标准中规定的电源特性试验要求，输入电压从180 V跃变至350 V时，由于测试电源的原因，输入电源线间会产生一个峰值不超过直流450 V、持续时间小于1 ms的尖峰电压。此尖峰电压不同于±600 V/10 µs尖峰电压。600 V/10µs尖峰电压因其信号发生器内阻为50 Ω，能量较小，容易抑制处理；而450 V/1 ms尖峰电压是一种差模尖峰电压，其内阻为输入电源内阻，能量较大，比较不易抑制处理。

直流270 V机载电子设备的正常输入电压范围一般为180～350 V，其最大输入电压为380 V。上述尖峰电压若不进行抑制处理，会造成后级电源模块输入过压保护功能被触发重启或掉电，影响后级设备正常工作，因此需要对上述两种尖峰电压进行抑制处理。

2 尖峰电压抑制处理

2.1 600 V/10 µs 尖峰电压抑制

电子设备在270 V额定输入电压工作时，在其正线上叠加600 V/10 µs尖峰电压，其信号发生器内阻为50 Ω，由于电子设备滤波电路中的线间电容电压不能突变，故测试输入电源、信号发生器内阻及后级线间电容形成一个RC充电回路，如图1所示。

图1 600 V/10 µs尖峰电压测试等效电路

电容的充电公式为

式中：Uc为电容两端电压；U0为电容初始电压，即直流270 V；Us为尖峰电压与额定电压叠加值，即870 V；RC为充电时间常数；R为充电电阻，C为后级电容。

为保障后级电子设备的正常工作，尖峰电压应被抑制在380 V以下，故应保证10 µs时间内电容电压不超过380 V。按照式（1）可知电容电压10 µs内从270 V充电至约380 V需要0.2个时间常数，则此时时间常数为 10 µs/0.2=50 µs，所需电容为 50 µs/50 Ω=1 µF，即当线间电容等于或者小于1 µF时，尖峰电压才可在10 µs时间将电容电压充电至380 V。在实际应用中，因为电磁兼容需要，该线间电容一般取数微法，其等效充电时间常数更大，10 µs时间内电容两端电压变化更小。

因此，600 V/10 µs尖峰电压不需要特殊抑制，1 µF以上线间电容即可吸收，故下文仿真及试验不再针对此进行处理。

2.2 450 V/1 ms尖峰电压抑制

该尖峰电压由供电电源产生，其内阻较小，持续时间过长，若仅靠线间电容吸收，需要线间电容容量较大，且不能及时将其抑制在直流380 V以下，会损坏后级电子设备或触发输入过压保护功能，影响后级设备正常工作，因此需要对该尖峰电压进行抑制处理。

尖峰电压抑制电路基本原理如图2所示，其中C3为后级等效线间电容。当尖峰电压峰值超过设定值时，基准稳压源TL431的参考输入端电压超过2.5 V，则其阴极被拉低，光耦U1导通，将Q1的驱动电压拉低，MOS管Q1关断，尖峰电压被与MOS管并联的电阻R5吸收。本尖峰电压抑制电路在直流180～350 V正常输入电压范围内不动作。

图2 450 V/1 ms尖峰电压抑制电路

尖峰电压抑制电路具有稳态工作以及尖峰电压两种工作状态，其中输入端出现尖峰电压时属于瞬态工作状态，其余则属于稳态工作状态。

在稳态工作状态时，输入电压Us低于尖峰电压设定值，R1与R2分压后低于2.5 V，基准稳压源U2阴极为高，光耦U1不导通。则输入电压通过电阻R4与R6分压后驱动MOS管Q1完全导通，并联电阻R5被旁路，后端设备正常工作；稳压管D1钳位Q1驱动电压以保护MOS管；稳压管D2钳位光耦U1输入端阳极电压以保护该光耦。

在尖峰电压状态，随着输入电压的升高，R1与R2分压后高于2.5 V，基准稳压源U2阴极为低，光耦U1导通，R6两端电压被拉低，MOS管Q1关断，输入电源通过电阻R5给后级电子设备供电。尖峰电压能量被R5以热能形式消耗。

尖峰电压消失后，MOS管Q1导通，R5被旁路，重新回到稳定工作状态。

本尖峰电压抑制电路的器件选型及参数计算应遵循以下原则：（1）电阻R5的选型及取值非常重要，R5应选择抗电压浪涌线绕电阻器，其阻值应根据尖峰电压峰值与额定工作电流有关；（2）应明确尖峰电压的峰值与额定工作电流，保证尖峰电压瞬间，输出电压不能低于后级电子设备的最低输入电压。

3 仿真验证

为满足相关机载标准中电压跃变试验要求，本设计按图2所示电路进行仿真，输入电压从180 V跃变为350 V，产生一个峰值为450 V，持续时间为1 ms的尖峰电压，滤波器后级负载电流在额定电压270 V时约为4.4 A，应保证电压跃变期间，电子设备可正常工作且不能出现性能降低。

为保证尖峰电压被抑制在380 V以下且不能低于后级电源的最低输入电压180 V，取R5为47 Ω电阻，其额定功率为2 W。

考虑到基准稳压源U2参考输入端电流一般为2 µA左右，为避免此端电流影响分压比，并降低噪音影响，一般取流过电阻R2的电流为参考输入端电流的100倍以上，故此电阻要小于2.5 V/200 µA=12.5 kΩ。考虑到待机功耗，在满足小于12.5 kΩ的情况下尽量取大值。故本设计中选取R2为7.5 kΩ，选取R1为1 100 kΩ(5个220 kΩ串联)。经计算，过压保护点为369 V。

本电路用于450 V/1 ms尖峰电压抑制，约369 V尖峰电压时触发其抑制功能，以保护后级电源模块正常工作，在369 V以下不动作。选用光耦U1的推荐工作电流为5 mA，其最大输入电流为30 mA，故应保证在369 V以下其电流超过其工作电流，且在450 V电压尖峰时电流不超过30 mA而导致损坏。考虑到待机功耗，R4电阻取值75 kΩ，为5个15 kΩ电阻串联。

按照图2原理图及上述参数进行仿真，结果如图3所示。

图3 PSpice仿真结果图

由仿真结果可以看出，当尖峰电压出现时，光耦U1导通，MOS管Q1的栅极电压被拉低，输出电压被抑制在约340 V左右，尖峰电压被R5吸收。尖峰电压过去后，光耦U1关断，MOS管Q1重新导通，输出电压350 V。

仿真结果与理论分析相符。

4 试验验证

按照仿真参数进行试验验证，因现有设备无法模拟试源输入电压跃变时的电压尖峰，本测试只模拟输入尖峰电压时MOS管Q1关断及尖峰电压过后Q1重新导通的瞬间，分别如图4所示。图4中，CH1为稳压管D2两端电压，即光耦U1的输入电压；CH2为稳压管D1两端电压，即MOS管Q1的驱动电压。

图4 实验波形

由图4试验波形可以看出，当尖峰电压出现时，MOS管Q1的栅极电压迅速被拉低；尖峰电压过去后，MOS管Q1的栅极电压被拉高，重新导通。

试验结果与理论分析计算及软件仿真结果相符。

5 结 论

本文介绍了直流270 V机载电子设备在正常工作中需要承受的两种尖峰电压：军标中要求的600 V/10 µs尖峰电压以及机载供电电源电压切换时产生的450 V/1 ms尖峰电压，对上述尖峰电压提出了抑制处理措施。针对600 V/10 µs尖峰电压，因其能量较小，仅需在线间并联1 µF以上电容即可吸收抑制；而针对450 V/1 ms尖峰电压，需要专门的抑制吸收电路。本文提供了一种可靠的抑制吸收电路，并对该电路进行了仿真和试验验证。仿真及试验结果证明了该抑制电路的可行性。