航天器DC-DC變換器的過壓保護電路設計

劉克承 王衛國

摘要：本文對航天器DC-DC變換器的過壓失效模式進行了分析，并提出了一種可靠性較高的基于PWM的輸出過壓保護電路的設計方法。

關鍵詞：航天器；DC-DC變換器；過壓保護電路

引言

在DC-DC變換器設計時要考慮對用電負載的保護以及因用電負載的失效而對DC-DC變換器的保護。航天器用DC-DC變換器由于其高可靠、不可維修的特殊要求，因此在設計之初就要開展失效模式及影響分析的工作，即考慮組成DC-DC變換器的所有部件、元器件可能發生的各種故障對DC-DC變換器的影響，以及設計中相應的糾正措施，以保證不會造成災難性的后果。

電子線路類負載對電源的穩定性要求一般不超過電源電壓的1％，在極端情況下不超過5％，機電類負載對電源的穩定性要求相對較寬。為了保證用電設備的安全及可靠運行，要針對電路中元器件及線路要素的各種失效模式設計過壓保護電路。過壓失效模式的分析中不考慮無關的雙重故障，即認為兩個無關電路的不同元器件同時失效為極小概率事件。

二次電源過壓失效模式分析

DC-DC變換器是一個閉環反饋系統，對于不同電路拓撲引起輸出過壓的故障點不盡相同。例如對于非隔離的Buck變換器，其串聯的功率MOSFET管一旦漏源極短路，輸入電壓會直接串到輸出端。又如，采用磁隔離采樣加輸出二次穩壓的多路輸出DC-DC變換器、用于二次穩壓的三端穩壓器輸入輸出短路，也會導致輸出過壓。再如對于多路輸出的DC-DC變換器，由于交叉調整率差會帶來某路輸出電壓升高。

對于一般單輸出隔離式的DC-DC變換器，可能引起輸出過壓的失效模

除變壓器初次級短路造成輸出過壓的故障模式可以通過變壓器的絕緣設計來克服外，針對表1所列的其余過壓失效模式，本文設計了一種基于PWM的輸出限壓保護電路。

基于PWM的輸出限壓保護電路

脈寬調制型DC-DC變換器的輸出穩壓通過如下方式實現：輸出電壓采樣值和基準電壓值比較后產生誤差信號Ve和鋸齒波進行比較后產生一定占空比的方波驅動信號控制功率MOSFET管的導通，實現閉環反饋穩壓輸出。因此通過控制PWM誤差放大器的輸出電平就可以控制輸出電壓值，該電路就是基于這種原理設計的，電路見圖3。電路基本工作原理如下：當DC-DC變換器工作于正常閉環狀態時，PWM誤差放大器工作在線性放大區，其輸出電平取決于輸入信號電平和放大器的增益。圖3中的三極管V₂工作在截至區，圖3所示的過壓保護電路不影響正常DC-DC變換器的正常閉環特性。當DC-DC變換器工作于開環狀態時，誤差放大器工作在飽和區。由于誤差放大器不是理想運放。因此輸出電阻不為零，因此將其簡化為一個含內阻的電壓源。三極管V2工作在線性放大區，可以將其簡化為受控可變電阻，因此圖3可以簡化為圖4所示的等效電路。當輸出電壓升高后，過壓采樣信號升高，導致I_b增大，使得V₂的I_c增大，由于誤差放大器內阻的存在，使誤差放大器的輸出電壓Ve降低，這樣就使PWM的方波驅動信號變窄，使輸出電壓降低，最終穩定在某一個電壓值上。

筆者用Saber-2005仿真軟件對這一應用電路進行了仿真分析，仿真電路見圖5。該電路是一個12V輸出的反激變換器，PWM采用電流型脈寬調制器UC1845。

電源正常輸出電壓為11.973V，電源輸出5ms后，采樣環路斷開，此時限壓保護電路工作，將輸出電壓限制在133.3v左右，仿真結果見圖6。

改變電阻RIS的值，可以調整輸出電壓的限壓值。圖7是電阻R15阻值與輸出限壓值的仿真結果曲線。可以看出電阻Rls從100Q變化到lkQ時，輸出限壓值從13.445v變化到14.119V。

結語

本文探討了航天器用DC-DC變換器的各種過壓失效模式，并設計了一種基于任何PwM的通用過壓保護電路，并給出了仿真結果。