用于機(jī)載28VDC設(shè)備的沖擊電流抑制電路

徐星星 吳振

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215015）

機(jī)載設(shè)備中通常存在大量的濾波電容以保證設(shè)備電磁兼容性能，濾波電容的增加會(huì)導(dǎo)致設(shè)備上電瞬間產(chǎn)生極高的沖擊電流。過(guò)大的沖擊電流不僅僅對(duì)電子產(chǎn)品本身具有較大危害，對(duì)供電系統(tǒng)供電質(zhì)量也極具危害。因此如何抑制機(jī)載設(shè)備啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流已經(jīng)成為機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)不可或缺的部分。本文在介紹沖擊電流產(chǎn)生的原因及危害的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)述了常見(jiàn)沖擊電流抑制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)某型顯示器沖擊電流超標(biāo)問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型浪涌抑制電路，對(duì)抑制結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量。

1 沖擊電流產(chǎn)生的原因及危害

1.1 沖擊電流產(chǎn)生的原因

電子產(chǎn)品中，沖擊電流是指電源接通瞬間產(chǎn)生的大于產(chǎn)品額定電流的過(guò)載電流。機(jī)載電子產(chǎn)品中大量運(yùn)用了AC/DC 電源或DC/DC 電源二次電源轉(zhuǎn)換電路，這些轉(zhuǎn)換電路通常采用高頻調(diào)制技術(shù)，存在大量的開關(guān)頻率噪聲干擾，為了抑制這些干擾，產(chǎn)品中大量運(yùn)用了濾波電容和濾波器，導(dǎo)致電源輸入端必然存在一定的濾波電容，產(chǎn)品等效電路如圖1 所示。

濾波電容通常都是低阻抗性質(zhì)。因此產(chǎn)品上電瞬間，產(chǎn)品等效阻抗很低，上電瞬間，電容處于尚未充電的初始狀態(tài)，電路接近短路，開關(guān)導(dǎo)通的瞬間必然產(chǎn)生很大的電流值。當(dāng)電容充滿后，沖擊電流逐漸變小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 沖擊電流的危害

沖擊電流通常都是毫秒級(jí)以內(nèi)，盡管時(shí)間不長(zhǎng)，但是仍然會(huì)產(chǎn)生很大危害。沖擊電流不僅僅對(duì)自身內(nèi)部的保險(xiǎn)絲、開關(guān)、PCB 線路等產(chǎn)生沖擊，也會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成沖擊。例如對(duì)保險(xiǎn)絲來(lái)說(shuō)，即使保險(xiǎn)絲降額設(shè)計(jì)符合國(guó)軍標(biāo)的降額準(zhǔn)則，沖擊電流也可能會(huì)造成保險(xiǎn)絲熔斷。若沖擊電流偏大，保險(xiǎn)絲就必須選用更高額定電流的熔斷器，真正出現(xiàn)過(guò)載時(shí)熔斷器不能熔斷或不能及時(shí)熔斷，因此過(guò)大的保險(xiǎn)絲反而起不到保護(hù)作用。過(guò)大的沖擊電流還可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備中繼電器觸點(diǎn)發(fā)生粘連，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作。而多個(gè)機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)工作時(shí)，經(jīng)過(guò)疊加的沖擊電流嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生波形塌陷，供電質(zhì)量變差，設(shè)備輸入端電壓降低，造成系統(tǒng)崩潰。因此，沖擊電流對(duì)可靠性要求高的機(jī)載電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，危害巨大。

2 沖擊電流抑制常用方法

沖擊電流的大小主要由輸入電壓大小和輸入電路串聯(lián)阻抗兩方面因素決定。較高的輸入電壓和較低的輸入電路串聯(lián)阻抗均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生相對(duì)較高的沖擊電流。

2.1 傳統(tǒng)沖擊電流抑制法

傳統(tǒng)沖擊電流抑制法是采用大電感或者串聯(lián)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。大電感的抑制方法會(huì)導(dǎo)致電源的體積和重量增加，應(yīng)用較少。串聯(lián)電阻常采用負(fù)溫度系數(shù)功率熱敏電阻（NTC）。NTC 熱敏電阻默認(rèn)開機(jī)高阻態(tài)，對(duì)沖擊電流進(jìn)行抑制，毫秒級(jí)內(nèi)溫度上升后電阻值迅速驟降10 ～100 倍；斷電后，隨著自身的冷卻，電阻值在幾十秒左右逐漸恢復(fù)到標(biāo)稱功率電阻值。

NTC 熱敏電阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格成本低，但存在一些固有缺陷。NTC 熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)、斷電后恢復(fù)時(shí)間為幾十秒?？焖匍_關(guān)機(jī)時(shí)，NTC 無(wú)法恢復(fù)高阻態(tài)，失去浪涌抑制效果。此外，NTC 熱敏電阻阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，無(wú)法使機(jī)載電子設(shè)備在全工作溫度范圍保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)[1]。因此，在重量嚴(yán)格控制的機(jī)載電子設(shè)備中無(wú)論是大電感還是NTC 熱敏電阻均無(wú)法可靠使用。

2.2 使用MOS管的沖擊電流抑制法

圖1：產(chǎn)品等效電路

圖2：沖擊電流波形1（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)）

圖3：改進(jìn)型沖擊電流抑制電路

圖4：28V 輸入電源時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖5：28V 輸入連續(xù)上下電時(shí)測(cè)試結(jié)果

在機(jī)載設(shè)備中使用最廣泛的沖擊電流抑制方法為采用MOS 管輔助一些無(wú)源器件構(gòu)成緩啟動(dòng)電路。其通過(guò)緩慢控制MOS 管柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而改變MOS 管的導(dǎo)通內(nèi)阻，達(dá)到抑制沖擊電流的效果。MOS 管是電壓控制型器件，之所以能用于沖擊電流抑制電路，是因?yàn)樗哂幸韵绿匦裕?/p>

（1）具有很快的開關(guān)速度，其開關(guān)速度取決于外圍電容充放電的速度；

（2）開關(guān)過(guò)程損耗??；

（3）柵極驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單；

（4）導(dǎo)通電阻較低，在MOS 管導(dǎo)通狀態(tài)下，導(dǎo)通壓降也較低，一定程度上提高電源效率[2]。

3 某型顯示器沖擊電流實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 機(jī)上沖擊電流限制要求

軍用飛機(jī)供電特性GJB181B 中對(duì)沖擊電流有明確規(guī)定：功率大于200W 的用電設(shè)備（白熾燈除外）在突然施加額定電壓時(shí)，產(chǎn)生的沖擊電流峰值應(yīng)不大于額定電流的5 倍，并應(yīng)在0.1s 內(nèi)回到額定電流。

民用機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)DO160G 中對(duì)需要考核沖擊電流的設(shè)備規(guī)定，沖擊電流的峰值應(yīng)小于：開始的3ms 內(nèi)，9 倍的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流；3.0ms ～500ms 內(nèi)，4 倍的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流；500ms 到2s 內(nèi)，2 倍的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流，此后為額定值。

隨著科技進(jìn)步，無(wú)論是軍機(jī)還是民機(jī)對(duì)沖擊電流的要求都越來(lái)越嚴(yán)苛。

3.2 產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果

某顯示器上電瞬間沖擊電流測(cè)量波形如圖2 所示。沖擊電流第一個(gè)周期為0.16ms，最大沖擊電流為87A。

該顯示器常溫下供電電源為28V 時(shí)，額定電流為4.9A。該顯示器供電特性要求中規(guī)定，沖擊電流不能超過(guò)額定電流的6 倍，即顯示器沖擊電流不能超過(guò)29.4A。圖2 表明該顯示器沖擊電流嚴(yán)重超標(biāo)。

4 沖擊電流抑制電路

4.1 電路原理

為了解決顯示器沖擊電流超標(biāo)問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款沖擊電流抑制電路，其能確保產(chǎn)品快速上下電時(shí)也能起到?jīng)_擊電流抑制作用。電路如圖3 所示。

上電時(shí)，輸入電源先通過(guò)R4 給C2 緩慢充電，使MOS 管V3的VGS電壓緩慢上升，V3 緩慢導(dǎo)通，V3 的導(dǎo)通電阻由高阻緩慢變?yōu)榈妥?。V3 緩慢導(dǎo)通過(guò)程中，輸入電源通過(guò)R5、V3 和R8 給電容C1 充電，從而控制V1 的VGS電壓緩慢上升，使V1 緩慢導(dǎo)通，改變電源線上的阻抗，起到抑制沖擊電流抑制的作用。當(dāng)電容C2 電壓達(dá)到穩(wěn)壓管VE2 的工作電壓后穩(wěn)定，V3 的導(dǎo)通內(nèi)阻固定；當(dāng)電容C1 電壓達(dá)到穩(wěn)壓管VE1 的工作電壓后穩(wěn)定，V1 的導(dǎo)通電阻最終固定。

斷電后，C2 通過(guò)R7 快速放電，V3 的柵極電壓迅速下降，V3快速截止。V3 截止后，C1 通過(guò)R2 快速放電，V1 的柵極電壓迅速下降，V1 快速截止。C1 電容容量遠(yuǎn)小于C2，C1 的放電時(shí)間遠(yuǎn)小于C2 的放電時(shí)間。此外，V1 的開啟電壓接近V3 開啟電壓的兩倍。兩級(jí)開啟電壓不同的MOS 管、不同容量等級(jí)的C1 和C2 確保產(chǎn)品快速反復(fù)上下電時(shí)，沖擊電流抑制電路也能正常工作。

適當(dāng)調(diào)節(jié)限流電路R4、R5、R8 和放電電阻R2、R7 的阻值，能使抑制電路在輸入電源電壓在9V ～100V 時(shí)均能正常工作。調(diào)節(jié)阻值可以使抑制電路適應(yīng)不同的產(chǎn)品。

4.2 落實(shí)結(jié)果

將抑制電路落實(shí)到顯示器內(nèi)部，重新測(cè)試沖擊電流。當(dāng)供電電壓為28V 時(shí)，沖擊電流波形如圖4 所示，沖擊電流為16A，輸入電流在5ms 左右恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)極限值內(nèi)。連續(xù)上下電操作，沖擊電流測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 和圖5 表明該改進(jìn)型沖擊電流抑制電路能很好的抑制沖擊電流，即使產(chǎn)品快速上下電，抑制功能也不會(huì)失效。

為驗(yàn)證該改進(jìn)型沖擊電流抑制電路能滿足顯示器的全部性能要求，將落實(shí)抑制電路后的顯示器分別進(jìn)行了電源拉偏、過(guò)壓浪涌和尖峰試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中顯示器均能正常工作。

該改進(jìn)型沖擊電流抑制電路在不影響顯示器全部性能要求的前提下，解決了顯示器沖擊電流超標(biāo)的問(wèn)題，即使顯示器快速連續(xù)上下電，電路也能正常工作。

5 結(jié)論

本文在簡(jiǎn)要介紹沖擊電流產(chǎn)生原因、危害及常用解決方法的基礎(chǔ)上，從某型顯示器的實(shí)際沖擊電流出發(fā)，提出了一種改進(jìn)型沖擊電流抑制方法。此方法有效避免了產(chǎn)品反復(fù)上下電時(shí)沖擊電流抑制電路失效的問(wèn)題，且適當(dāng)調(diào)節(jié)限流電路和放電電阻能使該電路適用性更廣。