航天器地面測試供電系統(tǒng)間隙工作機理分析*

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

1 引 言

航天器在地面測試過程中不可避免地要經(jīng)歷反復(fù)加電和斷電的操作，在此過程中偶然會發(fā)生航天器載單機保險絲熔斷故障。有的還會將單機內(nèi)部DC-DC變換器輸入端防浪涌電流的串聯(lián)電阻燒黑，更有甚者單機在加電和斷電過程中伴有嘯叫聲。通常，保險絲是嚴格按照建造規(guī)范選用的：當非正常工作電流高達1倍以上并持續(xù)一段時間條件下，熔斷器才會動作。而出現(xiàn)燒毀保險絲、燒黑電阻、伴有嘯叫的單機，在離開系統(tǒng)測試環(huán)境，返回重做單機測試時并未留存其它故障跡象，更換保險絲后單機即可恢復(fù)工作正常。

為了查找“故障”原因，需要從由各種類型單機通過各類電纜連接組成的分系統(tǒng)和各分系統(tǒng)間信息交織組成的大系統(tǒng)中去尋找某一次開、關(guān)機瞬間一根導(dǎo)線上的電流超出允許范圍的機理，這顯然是困難的。

本文主要針對地面系統(tǒng)測試中單機保險絲熔斷、燒黑電阻、伴有嘯叫的現(xiàn)象，分析了在特定的環(huán)境下由于各部分相互作用引發(fā)間隙工作的機理，通過實驗驗證間隙工作是出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象的主要原因，最后提出一些解決問題的建議。

2 地面系統(tǒng)測試環(huán)境

通常在地面需要對組成航天器的各分系統(tǒng)進行全面的測試，并模擬飛行中的各種工作狀態(tài)，檢查各分系統(tǒng)間的匹配性、協(xié)調(diào)性。航天器的測試接口中，在地面供電階段采用有線電纜網(wǎng)連接地面設(shè)備(含電源)，形成一束用于控制、測量、指示、供電的電纜線。通過具有有線電控脫落功能的插頭和航天器連接，組成測試系統(tǒng)[1]。在此我們將地面電源、供電線纜、各用電設(shè)備輸入端DC-DC變換器及其輸入端旁路電容合稱為航天器地面測試系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。航天器地面測試系統(tǒng)連接關(guān)系見圖1。

圖1 航天器地面測試系統(tǒng)連接關(guān)系圖

為了模擬現(xiàn)場布局，將地面電源、配電器靠近航天器(兩者之間約有百米)，由遠置的控制臺(約幾百米)對地面電源和航天器實施遠控、遠測。所以在地面系統(tǒng)測試中，地面電源距用電設(shè)備之間長達百米，兩者間不可避免地存在線纜等效電阻，而地面電源大容量輸出電容和各用電設(shè)備輸入端的旁路電容則組成了供電系統(tǒng)的等效電容。

以衛(wèi)星系統(tǒng)為例，實測衛(wèi)星在切斷地面供電后，母線電壓在維持了16 ms后才開始緩慢下降。大約持續(xù)至160 ms左右，母線電壓才降至10 V左右。據(jù)此可以大致推算出整星斷電后能量完全釋放大約需要250 ms左右。經(jīng)分析，在衛(wèi)星斷電后，母線電壓變化的快慢主要取決于衛(wèi)星上各單機和電纜上存在寄生分布參數(shù)的大小。正是因為單機對外呈容性、電纜線呈感性的特點，才使得母線電壓在整星斷電后下降緩慢。

3 電源特性

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，DC-DC變換器在近20年來以其特有的核心控制芯片數(shù)字化、功率器件集成化在航天器載設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。為保證DC-DC變換器啟動后能進入正常工作狀態(tài)，也為了保證變換器工作時供電電壓的波動不會對整個電路造成損害，通常使用欠壓鎖存(Under Voltage Lock Out，UVLO)電路[2]。欠壓鎖存電路通過對供電電壓進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)過壓、欠壓均采取鎖定保護措施，以有效防止供電系統(tǒng)崩潰，這已成為現(xiàn)代電源設(shè)計的必然選擇。

UVLO工作過程是：首先由供電電源Vin建立基準電壓源，給比較器提供穩(wěn)定的參考電壓，并與供電電源Vin進行比較，一旦檢測到供電電壓Vin的不足(欠壓)，立刻禁止其它電路工作并保持切斷狀態(tài)(鎖存)，等供電電壓Vin上升到某一個值時，重新啟動變換器工作。其中的比較電路引入了遲滯環(huán)，使得供電電壓Vin從低電壓到高電壓穿越翻轉(zhuǎn)點和從高電壓到低電壓穿越反轉(zhuǎn)點時電壓值有一定的遲滯回差[3]。DC-DC變換器UVLO標準遲滯曲線見圖2。

圖2 標準遲滯曲線

DC-DC變換器UVLO的開啟電壓Von、關(guān)斷電壓Voff的設(shè)置，由DC-DC變換器從確保自身配電出發(fā)，在內(nèi)部(也可以在外部)設(shè)置滿足自身要求的回差大小，它設(shè)定的出發(fā)點和保護對象都是其自身。

4 間隙工作形成原理

由于供電系統(tǒng)存在的等效電阻和電容，地面電源在開啟時輸出電壓呈現(xiàn)逐步上升過程，關(guān)斷時同樣存在電壓下降過程。

以斷電過程為例，單機內(nèi)部DC/DC輸出端的工作模式為恒流(Constant Current，CC)模式[4]，功率Pout維持不變。在地面供電電源斷電時，由于供電系統(tǒng)中等效電容上儲存有較大能量，其作用可以等效一個電壓逐漸下降的供電電源，它與供電系統(tǒng)的等效電阻結(jié)合，同樣會使供電系統(tǒng)進入間隙工作狀態(tài)。電路等效電容的大小表征了儲存能量的大小，能量的大小又是地面供電電源斷電時間隙工作狀態(tài)持續(xù)時間長短的依據(jù)。

隨著地面供電系統(tǒng)的斷電后，在地面供電母線電壓還未降至UVLO以下，這就意味著PWM控制器仍在工作，DC/DC模塊依然處于工作狀態(tài)。整機斷電后的等效電路如圖3所示。

圖3 斷電后的等效電路

具體過程如下：

當DC/DC模塊再次工作，Cpara提供的輸入功率依舊不足，輸入電壓Vin又下降。如此反反復(fù)復(fù)，形成振蕩。這樣的振蕩一致持續(xù)到母線電壓即寄生電容電壓低于UVLO電壓，無法再繼續(xù)工作。

反之，當供電電壓Vin上升到DC-DC變換器所設(shè)計的開啟電壓Von時開始工作。開啟瞬間，如果線路電壓降Vr(Vr=Ir×Rr)大于DC-DC變換器所設(shè)計的遲滯回差(VON-VOFF)[5]，電路就關(guān)斷。電路一旦關(guān)斷，線路電壓降Vr就等于零，此時供電電壓Vin≥開啟電壓Von，電路又重新啟動。如此造成電路啟動就關(guān)斷、關(guān)斷了又啟動，單機內(nèi)的DC-DC變換器在啟動和關(guān)斷之間反復(fù)動作，在供電電源與DC-DC變換器間形成間隙工作狀態(tài)，如果間隙工作通、斷周期在音頻范圍之內(nèi)，就會聽到嘯叫聲。

間隙工作期間流入DC-DC變換器的電流很大，極有可能造成保險絲熔斷或燒黑輸入端串聯(lián)電阻。

保險絲熔斷并非電流超過標稱值就熔斷，而是需要電流超出標稱值并持續(xù)一段時間，也就是說燒斷保險需要一定的能量，所以此類保險絲熔斷不屬于單機本身故障引起的。對于此類故障如果僅靠加大保險系數(shù)反而為單機帶來更大的風(fēng)險。

5 模擬實驗情況

我們用Agilent公司N6705功率電源模擬供電電源，用串聯(lián)2 Ω電阻模擬線纜等效電阻，選用MHF+2805S作為單機內(nèi)部DC-DC變換器，用電子負載模擬單機用電。模擬實驗記錄曲線見圖4。

圖4 模擬實驗記錄曲線

我們根據(jù)實測地面設(shè)備斷電過程中的特性，模擬了母線電壓緩慢下降的過程。由圖可見，發(fā)生間隙工作的整個過程如下：

(1)在母線電壓從28 V緩慢下降的前半程，DC-DC變換器正常工作；

(2)隨著母線電壓的逐漸下降，為保證了輸出電壓的不變，輸入電流略有上升；

(3)當母線電壓降至關(guān)斷電壓Voff=15 V時(MHF+2805S的設(shè)計指標)，系統(tǒng)開始出現(xiàn)間隙工作現(xiàn)象；間隙工作期間輸出電壓勉強維持不變(但輸出紋波變大)，而輸入電流超出允許范圍；從母線電壓上可清晰地看到DC-DC變換器關(guān)斷時電壓升高、開啟時電壓降低；輸入電流與輸入電壓(母線電壓)相位相反；

(4)當母線電壓達不到再次開啟電壓Vin≤Von時，DC-DC變換器就徹底關(guān)斷。

6 結(jié)束語

通過理論分析和試驗驗證，找出了航天器在地面測試加、斷電過程中發(fā)生保險絲熔斷等異常現(xiàn)象的故障機理，即地面供電系統(tǒng)使得單機電源模塊出現(xiàn)間隙工作的機理是由于供電系統(tǒng)存在過大的等效電容和等效電阻，供電線路與DC-DC變換器固有的UVLO回差不匹配造成的。對于該問題如果片面增大保險絲或更換元器件，不僅不能從本質(zhì)上解決問題，相反還降低了單機的可靠性。

理論上解決問題有減小供電線纜等效電阻(尤其是電流大的情況)、調(diào)大DC-DC變換器的回差電壓、減小供電系統(tǒng)等效電容以降低儲能從而減少間隙工作持續(xù)的時間等3種方法，或者上述3種方法的綜合運用。

參考文獻：

[1] 李立.航天器地面供配電設(shè)備接口設(shè)計技術(shù)[J].計算機測量與控制,2003，11(6):447-450.

LI Li.Interface design technology for groud power supply equipment to aerospacecraft[J]. Computer measurement & Control, 2003，11(6):447-450.(in Chinese)

[2] 周慶生，吳曉波.一種新型欠壓鎖定電路的設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機，2006，23(11)：199-201，207.

ZHOU Qing-sheng,WU Xiao-bo.Design of novel under voltage lock out circuit[J].Microelectronic & Computer,2006,23(11)：199-201，207.(in Chinese)

[3] Robert Mayell. Simple circuit design tutorial for PoE applications[M]. [S.l]:Media Asia Ltd.,2006.

[4] Erickson, Robert W. Fundamental of Power Electronics[M].2nd ed. Dordrecht,Netherlands：Kluwer Academic Publisher,2000.

[5] Crane Corporation.INTERPONT Databook[M].Stamford:Crane Corporation,1999.