航天電子設(shè)備二次電源輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)

曹廣平

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈等航天平臺(tái)中,電子設(shè)備的種類越來(lái)越多,功能越來(lái)越復(fù)雜,設(shè)備內(nèi)部電路的供電需求各異,而平臺(tái)一般只提供單組電壓供電,需電子設(shè)備自行進(jìn)行電源變換。航天器平臺(tái)能源有限,成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)制約因素之一,設(shè)備電源效率非常重要;另一方面,航天器平臺(tái)供電特性的差異較大,二次電源需經(jīng)受電壓起伏、過(guò)沖、浪涌等考驗(yàn),因此,對(duì)航天電子設(shè)備的二次電源要求越來(lái)越高。

隨著專業(yè)分工越來(lái)越細(xì),二次電源的DC/DC變換器技術(shù)相對(duì)成熟,國(guó)內(nèi)外有許多專業(yè)公司提供高可靠的系列產(chǎn)品,如 Interpont、Vicor、Delta、IR、VPT 等公司的產(chǎn)品覆蓋了工業(yè)級(jí)到宇航級(jí);國(guó)內(nèi)也有系列型譜的電源變換器,整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般選用成品電源,不再將電源變換器的具體實(shí)現(xiàn)作為研制重點(diǎn)。但是,成品電源模塊在航天電子設(shè)備中的使用仍需關(guān)注,如果電源使用不當(dāng),產(chǎn)生的某些故障模式可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作,甚至系統(tǒng)崩潰;同時(shí),電源也是電磁干擾(EMI)麻煩的制造者和受害者,開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波分量是設(shè)備內(nèi)部主要污染源之一,電源也易受其它干擾污染,一旦電源系統(tǒng)受到EMI污染,它將擴(kuò)散到電路的各部分,影響設(shè)備性能[1]。

因此,在航天電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中,二次電源模塊往往需要配合外圍保護(hù)電路使用,保護(hù)電路在設(shè)備中的作用包括改善電源變換器的供電環(huán)境和電磁兼容性(EMC)、保證設(shè)備安全、隔離故障電源對(duì)系統(tǒng)的影響等。合理選擇電源保護(hù)電路將有助于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。本文將通過(guò)分析不同平臺(tái)的供電環(huán)境結(jié)合具體工程實(shí)例討論航天電子設(shè)備電源輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

2 航天電子設(shè)備的供電環(huán)境分析

衛(wèi)星、火箭(導(dǎo)彈)等飛行過(guò)程中采用的電源形式主要有化學(xué)電源、燃料和核能、光伏電源三大類,絕大多數(shù)衛(wèi)星采用光伏電源,火箭、導(dǎo)彈一般采用化學(xué)電源。發(fā)射準(zhǔn)備和地面測(cè)試階段則使用地面電源或由發(fā)射平臺(tái)(如飛機(jī)、艦船)提供電源,本文主要針對(duì)這幾種供電情況的設(shè)備進(jìn)行分析[2]。

衛(wèi)星的光伏電源系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能電池、蓄電池、功率調(diào)節(jié)及充電裝置等部分,雖然電源受在不同光照角下充電差異和衛(wèi)星進(jìn)入地影區(qū)放電過(guò)程的影響,由于有完善的電源控制電路,衛(wèi)星的供電波動(dòng)較小;但是,衛(wèi)星平臺(tái)要求各種設(shè)備一次地(供電負(fù)母線)與二次地(二次電源和信號(hào)地)隔離,DC/DC變換器的反射紋波較大,供電母線受到污染,各用電設(shè)備應(yīng)予以關(guān)注。

火箭(導(dǎo)彈)飛行過(guò)程中一般采用鋅/氧化銀等形式的化學(xué)蓄電池一次性工作,電池在發(fā)射準(zhǔn)備階段并激活電池并充電,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),電池容量的選擇需要考慮電池放電深度、設(shè)備飛行全程總消耗能量等因素,原則是任務(wù)壽命末期放電電壓必須高于設(shè)備可工作的最低電壓,并考慮一定余量,對(duì)用電設(shè)備而言,需要考慮的是蓄電池充電后放電初期電源較高,而工作末期的輸出電壓偏低,特別是充電后初始放電過(guò)程。

航天電子設(shè)備在發(fā)射前的供電方式與發(fā)射平臺(tái)形式相關(guān),如果是采用陸基固定發(fā)射方式,發(fā)射前地面工作階段飛行器上的設(shè)備通過(guò)脫插由地面模擬電源供電,由于地面供電網(wǎng)穩(wěn)定性好,其供電品質(zhì)容易得到保證,直流電壓的波動(dòng)極小,但是,也可能存在長(zhǎng)線耦合干擾等電源污染,對(duì)于這種情況,用電設(shè)備應(yīng)滿足GJB151A標(biāo)準(zhǔn)的要求;另一種是移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)(飛機(jī)、艦船),發(fā)射前依靠平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換直流電源供電,一般供電品質(zhì)稍差,容易出現(xiàn)幅度波動(dòng)、工頻的高次分量干擾、頻率偏差等情況,如機(jī)載巡航導(dǎo)彈,彈載設(shè)備的電源適應(yīng)性要求符合GJB181A標(biāo)準(zhǔn)。

3 電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)的一般原則

正如前面所述,電源電路包括電源變換器本身和短路保護(hù)、干擾濾波、瞬態(tài)抑制等外圍電路組成,外圍電路既有用在電源變換器輸入端的,也有用在輸出端的,由于變換器輸出端一般只需要采取常規(guī)濾波、扼流措施,多數(shù)情況可集成到變換器內(nèi)部。為了便于論述,將變換器之外的外圍電路稱為電源保護(hù)電路。下面主要針對(duì)變換器輸入端的輸入保護(hù)電路,分別介紹開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理和對(duì)輸入保護(hù)電路的通用要求。

3.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理

DC/DC電源變換器按工作方式分為開(kāi)關(guān)和線性兩大類,由于效率和平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求等原因,航天電子設(shè)備上一般都選擇隔離型開(kāi)關(guān)電源變換器,開(kāi)關(guān)電源采用調(diào)制解調(diào)開(kāi)關(guān)模式或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換形式,變換得到電路工作所需的各組電壓。以開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電源為例,基本工作原理為:由集成控制電路產(chǎn)生電源內(nèi)部所有的控制信號(hào),電源初級(jí)建立振蕩并通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)初級(jí)到次級(jí)能量傳遞,次級(jí)進(jìn)行整流濾波輸出,由輸出端取樣反饋各控制電路,由其控制初級(jí)開(kāi)關(guān)管接通時(shí)間(對(duì)應(yīng)從電源取能時(shí)間)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整。電源初級(jí)采用的開(kāi)關(guān)管一般選用VMOS管,其耐壓和抗大電流沖擊的性能較好,比如蓋雅公司的小功率VMOS管標(biāo)稱耐壓值在100V,電流可達(dá)8A,更高一檔器件參數(shù)高達(dá)200V/16 A。因此,通常DC/DC電源變換器可適應(yīng)寬輸入電壓(航天器平臺(tái)供電常用為18～36V)工作,并具有好的浪涌抑制能力。各專業(yè)電源廠家推出了大量標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC變換器組件系列,既有單組輸出的,也有多組輸出電壓的。本文討論電源電路立足于以標(biāo)準(zhǔn)DC/DC變換器和外圍電路構(gòu)建。

但是,所有開(kāi)關(guān)模式的電源變換器在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲,其開(kāi)關(guān)頻率的選擇在數(shù)十到數(shù)百千赫之間,電源變換器會(huì)向輸入母線傳導(dǎo)發(fā)射開(kāi)關(guān)噪聲及其諧波[3],如果處理不好將會(huì)對(duì)設(shè)備工作信號(hào)造成干擾,在使用標(biāo)準(zhǔn)DC/DC電源變換器的同時(shí),需要精心設(shè)計(jì)電源輸入電路。

3.2 電源輸入電路通用要求

根據(jù)航天器平臺(tái)供電特性,在航天電子設(shè)備中電源變換器外圍電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮完成以下功能。

(1)抑制外界的干擾、浪涌

防止電子設(shè)備受到由供電母線帶來(lái)的干擾和設(shè)備加斷電產(chǎn)生的浪涌[4]。

(2)輸入電壓箝位

在輸入電壓偏高時(shí),防止加到電源模塊上的供電電壓超出其正常工作電壓范圍,保護(hù)電源模塊不損壞。

(3)隔離設(shè)備供電故障

當(dāng)設(shè)備電源或后級(jí)電路出現(xiàn)短路時(shí),能將該設(shè)備從系統(tǒng)供電連接中斷開(kāi),防止設(shè)備內(nèi)部短路拖垮系統(tǒng)電源。

(4)減小干擾信號(hào)反射

防止DC/DC電源變換器開(kāi)關(guān)噪聲等信號(hào)干擾、污染系統(tǒng)電源。

4 典型航天電子設(shè)備電源輸入電路設(shè)計(jì)

在航天電子設(shè)備中,因?yàn)檠b備的平臺(tái)不同,使用要求各異,設(shè)備電源及輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)也不相同,下面分別對(duì)星載、箭(彈)載設(shè)備常用的電源電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

4.1 星載設(shè)備電源輸入電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)電池是現(xiàn)代衛(wèi)星最常用的能源獲取方式,光伏電源系統(tǒng)本身具備儲(chǔ)能、調(diào)壓等管理,平臺(tái)供電的品質(zhì)相對(duì)較好。星載設(shè)備對(duì)電源除了前文提到的通用要求以外,需主要考慮高可靠長(zhǎng)壽命、供電母線與信號(hào)地隔離等要求,因此,在星載設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)中,會(huì)采用主備(冷備份)冗余方式盡量消除單點(diǎn);同時(shí),由于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)體積重量、功耗、熱設(shè)計(jì)的高要求,對(duì)電源電路設(shè)計(jì)提出了很多限制條件。

綜合各種因素,星載設(shè)備電源輸入電路需要提供母線短路保護(hù)功能,并具有抗瞬態(tài)過(guò)載能力;盡量消除單點(diǎn)失效模式,對(duì)可靠性不夠高的電路元件等采取備份冗余;具有良好的EMI抑制性能,對(duì)差模、共模干擾具有較好抑制效果。為了獲得良好EMI抑制效果,一般選用與DC/DC變換器配對(duì)使用帶封裝的標(biāo)準(zhǔn)EMI濾波器。電源輸入電路一般由熔斷器、電阻、磁保持繼電器和EMI濾波器幾部分組成。熔斷器采用兩支路并聯(lián),一路為單熔斷器,另一路為電阻與熔斷器串聯(lián)結(jié)構(gòu),通過(guò)此電路達(dá)到隔離設(shè)備供電母線短路故障目的,并能適應(yīng)瞬態(tài)過(guò)載情況;通過(guò)由系統(tǒng)提供主/備加斷電控制信號(hào)控制磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)主備切換,并用多組觸點(diǎn)串并聯(lián)方式消除單點(diǎn),為減小電源部分的體積重量,多數(shù)情況可多組電源共用EMI濾波器,當(dāng)然這需要在EMI抑制性能和體積重量進(jìn)行綜合平衡。典型的電源電路連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 星載設(shè)備電源電路連接圖Fig.1 Space-borne equipment power circuit connection diagram

EMI濾波器是由一組差模、共模電感和電容組成的LC濾波器,形成帶金屬封裝的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品更有利于減小干擾輻射,各電源生產(chǎn)商推出的與DC/DC變換器配對(duì)型號(hào),主要針對(duì)變換器開(kāi)關(guān)頻率、電流等特征調(diào)整了濾波器內(nèi)部器件參數(shù),使其具有更好的針對(duì)性。變換器開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波形成最主要的干擾,為使濾波器具有更好效果和更容易實(shí)現(xiàn),希望開(kāi)關(guān)頻率越高越好,但需要注意避免開(kāi)關(guān)信號(hào)及低階諧波進(jìn)入有用基帶信號(hào)帶內(nèi)。國(guó)外在開(kāi)關(guān)電源有采用開(kāi)關(guān)信號(hào)偽碼調(diào)制技術(shù)的,通過(guò)干擾“白化”降低開(kāi)關(guān)頻率的干擾幅度,在航天產(chǎn)品中還未見(jiàn)使用該技術(shù)。

熔斷器的作用是當(dāng)設(shè)備電源變換器初級(jí)或外圍電路出現(xiàn)短路時(shí)將設(shè)備故障與系統(tǒng)隔離,熔斷器及電阻規(guī)格選擇需要遵循一定原則,在保護(hù)反應(yīng)時(shí)間與抗浪涌之間平衡,通用的原則是:

式中,Ie為設(shè)備最大額定電流,Ir為熔斷器熔斷電流。限流電阻遠(yuǎn)大于(20倍以上)熔斷器阻值,而要求設(shè)備浪涌電流不超過(guò)工作電流的1.5倍。減小浪涌電流需要通過(guò)增加浪涌抑制電路。浪涌抑制電路一般有串聯(lián)電感和軟啟動(dòng)電路方式,串聯(lián)電感方式簡(jiǎn)單但效果有限,軟啟動(dòng)電路效果良好但卻是以“增加電路復(fù)雜度、犧牲可靠性”為代價(jià)的。

在實(shí)際工程中,并非浪涌電流超過(guò)1.5倍工作電流就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果,往往提出另一個(gè)考核標(biāo)準(zhǔn):電流時(shí)寬積和浪涌電流的為浪涌電流),電流時(shí)寬積是量化電源母線負(fù)載能力的承受能力,計(jì)算浪涌主要用來(lái)判斷熔斷器是否能承受浪涌電流的沖擊。這兩項(xiàng)參數(shù)在工程中具有很好指導(dǎo)意義,也便于考核操作。

根據(jù)電源系統(tǒng)能力可確定額定電流時(shí)寬積參數(shù),用ITmax表示,一般電源系統(tǒng)能達(dá)到數(shù)百至數(shù)千安毫秒(A·ms),設(shè)備浪涌電流時(shí)間帶寬積需滿足下式:

式中,τ為浪涌電流寬度。

同時(shí),在熔斷器選型時(shí)需滿足:

式中,Ir為熔斷器熔斷電流。

4.2 箭(彈)設(shè)備常用電源電路設(shè)計(jì)

火箭、導(dǎo)彈作為一次性使用的航天器,具有系統(tǒng)龐大、工作環(huán)境惡劣、工作時(shí)間短、可靠性要求高等特點(diǎn)。由于一次性使用,箭(彈)設(shè)備的設(shè)計(jì)需要貫徹簡(jiǎn)單、低成本的思想,除關(guān)鍵核心設(shè)備外,一般不考慮備份冗余,因此對(duì)設(shè)備的可靠性要求也較高。

電源電路的設(shè)計(jì)在滿足通用要求之外,還需要考慮火箭(導(dǎo)彈)的供電環(huán)境:蓄電池初期的高電壓和工作末期低電壓、大功耗設(shè)備啟閉引起的電壓波動(dòng)、過(guò)沖等,對(duì)EMC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)變成抑制瞬態(tài)高壓和防止設(shè)備內(nèi)DC/DC變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率信號(hào)及其它干擾反饋到電源母線,而系統(tǒng)一般不需要電源負(fù)母線與地隔離,多數(shù)情況可將DGND和GND搭接。EMI濾波器可采取簡(jiǎn)單LC器件搭建構(gòu)成,在設(shè)備工作電流不太大的情況下,可采用電阻限流代替熔斷器,一種典型的電源輸入電路如圖2所示。

圖2 箭(彈)小功耗設(shè)備的電源輸入保護(hù)電路Fig.2 Mains input protection circuit for low power consumption rocket/missile-borne equipment

電源保護(hù)電路由串聯(lián)在正母線上的電阻R1、二極管V1、V2以及由電容C1、C2、C3和電感L1、L2構(gòu)成的濾波電路組成。電路中,電阻R1的作用是限流、降壓、隔離,當(dāng)有高電壓尖峰加到輸入端時(shí),電阻可防止箝位二極管通過(guò)電流太大,對(duì)其起到保護(hù)作用;二極管V1的作用是隔離倒灌信號(hào),防止機(jī)內(nèi)電源產(chǎn)生的高電壓干擾反饋污染系統(tǒng)電源,對(duì)于品質(zhì)較好的電源變換器一般不是必要;箝位二極管V2將電壓箝位到電源模塊允許的工作電壓范圍內(nèi),主要針對(duì)系統(tǒng)工作條件下化學(xué)電池放電初期和系統(tǒng)用電設(shè)備少(輕負(fù)載)情況下電壓較高的情況而設(shè)置;由電容、電感組成的LC濾波器主要抑制EMI干擾,濾波器電路形式選擇的依據(jù)是系統(tǒng)供電環(huán)境,在較好的系統(tǒng)供電環(huán)境下,簡(jiǎn)單的濾波電路是夠用的。

但是,在箭彈設(shè)備電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)中,對(duì)元器件選擇需要注意以下因素。

(1)浪涌電流通過(guò)電感產(chǎn)生的反峰電壓可能高過(guò)系統(tǒng)外部來(lái)的最高輸入電壓,所以,濾波電容器耐壓值選擇應(yīng)按照直流電壓降額要求和瞬態(tài)電壓降額要求分別計(jì)算,按照高的要求選擇器件;

(2)限流電阻額定功率選擇。限流電阻選用考慮兩條原則:在設(shè)備正常穩(wěn)定工作情況下,滿足降額原則,工作穩(wěn)定安全;在設(shè)備內(nèi)部電路出現(xiàn)短路情況,限流電阻應(yīng)不致系統(tǒng)供電電壓被拉低,并能短時(shí)間熔斷保護(hù)系統(tǒng)不受影響。設(shè)計(jì)時(shí)如果按照設(shè)備穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算功耗,因?yàn)橛欣擞俊⑦^(guò)沖等現(xiàn)象存在,即使選擇0.1的降額系數(shù),也很難說(shuō)一定可靠;而根據(jù)瞬態(tài)尖峰電壓產(chǎn)生電流計(jì)算功耗,往往功率數(shù)據(jù)很大,根本沒(méi)有符合要求的電阻,顯然造成過(guò)設(shè)計(jì)。

筆者在工程中通過(guò)分析與驗(yàn)證,對(duì)限流電阻選用提出按熱容降額的設(shè)計(jì)原則。

根據(jù)設(shè)備環(huán)境溫度條件(高溫)、電阻幾何尺寸、材料熱容值C計(jì)算出輻射表面換熱系數(shù),其基礎(chǔ)是能量守恒方程。由于浪涌電流為短時(shí)信號(hào),需要用其瞬態(tài)形式:

式中,Qg為電流產(chǎn)生的熱量,K為器件熱阻,C為器件熱容。

將微分方程(4)進(jìn)行拉氏變換:

由此,求出溫度積累的時(shí)域解:

式中,T(t)為器件積累溫度。

根據(jù)上述公式建立熱響應(yīng)分析模型,并運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真,求出最惡劣條件電阻積累熱量(單位J),并與電阻承受極限溫度比較,按照0.3進(jìn)行降額。

上述工作可編寫Matlab程序,設(shè)計(jì)時(shí)輸入設(shè)定條件,可很快得出結(jié)果。如果箭(彈)載電子設(shè)備功耗較大,可能會(huì)產(chǎn)生較大浪涌電流,一般需要采用浪涌抑制電路,電路形式與星載設(shè)備類似,在此不再贅述。

在航天電子設(shè)備工程設(shè)計(jì)中,筆者根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)提出上述典型電路形式和設(shè)計(jì)控制參數(shù),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并具有較好工程可操作性。按上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的供電保護(hù)電路在多種設(shè)備使用中從未出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了航天電子設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)的一般原則,對(duì)采用DC/DC變換器的二次電源外圍電路典型應(yīng)用給出輸入保護(hù)電路模型,不同于其它文獻(xiàn)介紹的通常電源電路設(shè)計(jì),本文提出了一些新的設(shè)計(jì)控制參數(shù),能夠較準(zhǔn)確地量化降額準(zhǔn)則,在工程設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義。

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