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。
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)。
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。
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。
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。
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]。
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。
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)。
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。
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。
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。