王有為

（華北計(jì)算技術(shù)研究所 北京市 100083）

機(jī)載加固計(jì)算機(jī)耐瞬態(tài)電壓設(shè)計(jì)

王有為

（華北計(jì)算技術(shù)研究所 北京市 100083）

機(jī)載加固計(jì)算機(jī)是機(jī)載信息系統(tǒng)的重要組成部分。作為用電設(shè)備，機(jī)載加固計(jì)算機(jī)需要面臨飛機(jī)供電系統(tǒng)正常、非正常、應(yīng)急、啟動(dòng)或轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)的瞬態(tài)電壓沖擊。因此，機(jī)載加固計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行相應(yīng)的耐瞬態(tài)電壓設(shè)計(jì)。本文根據(jù)GJB181的要求，給出一種耐瞬態(tài)電壓的方法，綜合使用了模擬開(kāi)關(guān)控制電路及瞬態(tài)抑制保護(hù)電路，并將該電路直接集成到模塊化CPCI電源中。

機(jī)載加固計(jì)算機(jī)；耐瞬態(tài)電壓；GJB181；電源

引言

機(jī)載加固計(jì)算機(jī)作為機(jī)載信息系統(tǒng)的重要組成部分，其工作穩(wěn)定性、可靠性十分重要。

1 設(shè)計(jì)需求

結(jié)合GJB181-86的要求，本文耐瞬態(tài)電壓電路設(shè)計(jì)要求為：

80V直流輸入、持續(xù)50ms供電條件下，加固計(jì)算機(jī)應(yīng)正常工作；9V直流輸入、持續(xù)50ms供電條件下，加固計(jì)算機(jī)應(yīng)正常工作；電源最大功率為150W。

2 總體方案

針對(duì)瞬態(tài)電壓抑制的場(chǎng)合，較為常用的手段是在電源前端加入MOV、TVS等器件進(jìn)行電壓鉗位。該方案的優(yōu)勢(shì)是電路簡(jiǎn)單，比較易于實(shí)施，但缺點(diǎn)是當(dāng)抑制器件鉗位時(shí)瞬態(tài)電流較大，可能對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)產(chǎn)生一定干擾。

本方案使用了結(jié)合功率MOS管的開(kāi)關(guān)特性，構(gòu)建了瞬態(tài)電壓保護(hù)電路。MOS管，全名為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，由金屬、氧化物（SiO2或SiN）及半導(dǎo)體三種材料制成，共有三個(gè)管腳G、D、S。通過(guò)G、S間施加控制電壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)D、S端的閉合和斷開(kāi)。MOS管具有開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，使功率變換實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示。

圖1 耐瞬態(tài)電壓電路原理圖

MOS管選擇了FQA36P15，為P溝道MOS管，其最大持續(xù)通過(guò)電流為36A、導(dǎo)通電阻約為76mΩ、耐電壓為150V、關(guān)斷延時(shí)為150～320ns。

在圖1中，各部分的設(shè)計(jì)方法和步驟如下：

在額定輸入范圍內(nèi)，電流流經(jīng)二極管V8/V13/V14、MOS管V9/V15/V16，經(jīng)過(guò)濾波給后級(jí)電路供電。通過(guò)采樣+28V輸出電壓，當(dāng)其低于32V時(shí)，采樣之后經(jīng)過(guò)R20和R22分壓后與運(yùn)放基準(zhǔn)5腳進(jìn)行比較，其6腳電壓低于5腳電壓2.5V，于是Q2飽和導(dǎo)通，MOS管柵極與地相接，MOS管完全打開(kāi)，使得輸入電流以最小的損失經(jīng)過(guò)MOS管流入后級(jí)。

在此過(guò)程中，其它幾個(gè)器件的狀態(tài)如下：運(yùn)放的2腳電壓高于3腳電壓，使得1腳輸出為低電壓，從而使得Q1進(jìn)入截止區(qū)，成為OC狀態(tài)，對(duì)主控制回路不影響。另外，在額定輸入范圍內(nèi)，+28V輸出電壓最高為31.2-1V=30.2V，小于TVS管鉗位電壓33V，TVS管不動(dòng)作。

輸入最大電流為：

根據(jù)此電流值、電路中最高電壓80V，以及散熱條件，選擇二極管為30CPQ150型號(hào)三個(gè)并聯(lián)，MOS管為三個(gè)并聯(lián)。

圖1中，R32/R16、V7起到軟起充電的作用，在額定輸入范圍時(shí)，由于電阻的限流作用，電阻不會(huì)消耗較大的功率。在額定輸入范圍內(nèi)，MOS管完全導(dǎo)通，因此軟起電阻最高承受MOS管兩端電壓，約為0.01V，幾乎不消耗任何電流。

在軟起過(guò)程中，由于輸出電壓未達(dá)到運(yùn)放設(shè)定的軟起結(jié)束電壓15.25V，運(yùn)放的1腳輸入高電位，將Q1飽和導(dǎo)通，使得Q9截止，MOS管截止，避免了因啟動(dòng)電流過(guò)大造成MOS管燒壞的情況。此時(shí)電流經(jīng)過(guò)R32/R16、V7給后級(jí)電容充電，充電時(shí)間由R32/R16的阻值及支撐電容的容值決定，可用時(shí)間常數(shù)進(jìn)行估算：

由于啟動(dòng)時(shí)間較短，軟起電路電阻選用兩個(gè)3W電阻并聯(lián)即可。

在軟起結(jié)束時(shí)，電容上電壓已被充到15.25V，此時(shí)后級(jí)電路依然不會(huì)工作。經(jīng)過(guò)運(yùn)放檢測(cè)之后，關(guān)斷Q1，使得Q9在運(yùn)放的作用下飽和導(dǎo)通，從而MOS管開(kāi)啟，輸入電壓迅速給電容充電，使其達(dá)到輸入電壓減去二極管壓降之后的值。

在輸入過(guò)壓浪涌時(shí)，其輸入為80V時(shí)，首先輸出與輸入同步達(dá)到32V，然后通過(guò)運(yùn)放反饋控制，使7腳電壓降低，Q2進(jìn)入線性放大區(qū)，使得MOS管柵極電壓上升，MOS管進(jìn)入線性調(diào)整區(qū)，MOS管導(dǎo)通電阻增大，從而保證輸出電壓穩(wěn)定在32V。雖然此時(shí)MOS管消耗功率增大，但由于持續(xù)時(shí)間斷，只有50ms，因此MOS管幾乎不會(huì)造成溫升。

在輸入欠壓浪涌時(shí)，由于存在二極管單向?qū)ǖ淖饔?，后?jí)電路通過(guò)支撐電容釋放儲(chǔ)存的能量。根據(jù)要求，欠壓浪涌持續(xù)50ms，因此可以設(shè)計(jì)電容的容值如下：

在最壞情況下，設(shè)定電源從25.2V下降，則輸出電壓從25.2-0.6=24.6V下降，在降至18V前，后級(jí)電路可以正常工作。

這段時(shí)間電容釋放的能量為：

其中：PTotal按150W計(jì)算：

考慮低溫工作環(huán)境，按0.6取降額，約為88916uF，選用33000/35V鋁電解電容27個(gè)，約為89100uF，可以滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用上述保護(hù)電路，較之傳統(tǒng)，具有電路簡(jiǎn)潔、可移植性好等突出特點(diǎn)。目前該電路已成功應(yīng)用于某型飛機(jī)的加固計(jì)算機(jī)上，有效地提升了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。該電路也可為同類其他產(chǎn)品所借鑒，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

[1]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社.

[2]《飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求》（GJB181-86）[S].1986.

[3]FQA36P15 datasheet，F(xiàn)airchild Semiconductor.Rev.B.2003，12.

TP302

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