80 V浪涌吸收器原理與設(shè)計(jì)

李建國(guó)

(陜西凌云電器有限公司設(shè)計(jì)所，陜西寶雞 721006)

隨著機(jī)載電子設(shè)備的日益增多和功能日趨完善。但由于電子設(shè)備間相互產(chǎn)生干擾，使得各電子設(shè)備的工作環(huán)境更加惡劣。為使各種電子設(shè)備能可靠工作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種電子設(shè)備應(yīng)能承受的環(huán)境條件。對(duì)最基本的供電來說，國(guó)軍標(biāo)(GJB181－86)［1］中要求機(jī)載電子設(shè)備能夠承受一定的尖峰電壓及浪涌電壓。對(duì)于尖峰電壓，因?yàn)榧夥咫妷褐惦m高，但時(shí)間短，能量小，可用電感濾除或用瞬態(tài)電壓抑制二極管、壓敏電阻來吸收。對(duì)于低壓浪涌，可以采取貯存能量，或主控系統(tǒng)供電由低壓變高壓DC－DC補(bǔ)充的供電方法，使電子設(shè)備工作不間斷，就可解決此問題。但對(duì)于過壓浪涌，GJB181－86中要求使用+28 V供電的電子設(shè)備能承受80 V、50 ms的過壓浪涌，其電壓高，時(shí)間長(zhǎng)，因此實(shí)現(xiàn)困難。本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)，提出了采用電壓鉗位和開關(guān)式穩(wěn)壓電路等方法來解決此問題的思路。

1 電壓鉗位

正常供電采用直流28 V的電子設(shè)備，要對(duì)80 V、50 ms的浪涌電壓實(shí)現(xiàn)鉗位，必須要有能承受52 V壓降的器件。若電子設(shè)備工作電流為3 A，則需消耗的功率為52×3=156 W［2］。從理論上來分析，可用瞬態(tài)電壓抑制二極管或壓敏電阻來鉗位，但此時(shí)有大電流流過設(shè)備的保險(xiǎn)絲，會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲。若采用自復(fù)保險(xiǎn)絲(PTC)來替換金屬保險(xiǎn)絲，自復(fù)保險(xiǎn)絲能承受52 V壓降，理論上可以實(shí)現(xiàn)80 V浪涌電壓的鉗位。但現(xiàn)有PTC材料的環(huán)境溫度變化很大，如圖1所示。從圖1中可以看出，這種保險(xiǎn)絲在軍用環(huán)境溫度條件下起不到保險(xiǎn)的作用。因此，此方案可以滿足一般民用要求，但目前還不滿足軍用環(huán)境溫度條件要求。

圖1 PTC材料的允許電流與環(huán)境溫度的關(guān)系

2 開關(guān)式穩(wěn)壓電路

采用開關(guān)式穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)80 V浪涌吸收器，需選用導(dǎo)通電阻小，能承受大電流的開關(guān)器件，使正常工作時(shí)壓差很小，消耗能量較少;關(guān)斷時(shí)，能承受高電壓。IR公司的MOSFET系列具備這個(gè)功能，例如IRF250，其基本應(yīng)用參數(shù)為Vdss=200 V，通態(tài)電阻Rds(on)=0.075 Ω，允許通過電流ID=30 A。

采用此類器件實(shí)現(xiàn)80 V浪涌吸收器的電路框圖如圖2所示。

圖2 80 V浪涌吸收器的電路框圖

圖中，開關(guān)器件選用MOSFET，其導(dǎo)通電壓VGS最小2 V，最大4 V，極限值VGS≤±20 V，因?yàn)檎］敵鲭妷罕容斎腚妷航档汀?.4 V，所以開關(guān)器件MOSFET的柵極電壓應(yīng)＞30 V，將高出電源電壓。為了生成此電壓，設(shè)計(jì)有振蕩電路和倍壓電路，振蕩電路的供電由穩(wěn)壓電路完成。穩(wěn)壓電路采用1 kΩ電阻串聯(lián)穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)壓值為12 V。在+28 V電源供電時(shí)，穩(wěn)壓管上電流為

在浪涌期間，穩(wěn)壓管上最大電流為

68 mA電流在穩(wěn)壓管的工作電流范圍內(nèi)。

1 kΩ電阻上最大功耗為

根據(jù)GJB181－86實(shí)驗(yàn)要求，每次浪涌電壓為80 V、50 ms，每分鐘1次，共5次，電阻平均功率為:

浪涌期間

非浪涌期間

總平均功率

為減小體積，選用RJ14/0.5 W的電阻即可。振蕩電路頻率為100 kHz，振幅12 V，經(jīng)簡(jiǎn)單的二極管電容倍壓整流電路后，電壓升到32 V。選保護(hù)器件穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為20 V，既保護(hù)了開關(guān)器件MOSFET，也起到了控制開關(guān)式穩(wěn)壓電路的作用。

80 V浪涌吸收器工作原理是:在正常28 V輸入時(shí)，振蕩電路輸出頻率為100 kHz的方波，倍壓整流電路輸出倍壓值32 V給MOSFET的柵極，VGS＞2 V，MOSFET導(dǎo)通，輸出28 V，VGS=32－28=4 V，保護(hù)器件不工作。若輸入浪涌電壓時(shí)，假設(shè)80 V、50 ms浪涌電壓剛開始通過了開關(guān)器件MOSFET，開關(guān)器件MOSFET輸出將上升。當(dāng)＞32 V時(shí)，保護(hù)電路中二極管正向?qū)ǎ琕GS=－0.7 V，此時(shí)開關(guān)器件MOSFET關(guān)閉。然后，保護(hù)器件穩(wěn)壓二極管正端電壓消失，二極管截止，VGS＞2 V，MOSFET又導(dǎo)通，輸出將上升，使保護(hù)器件穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，……。如此循環(huán)控制，使輸出電壓始終不高于32 V，GJB181－86中要求正常供電采用直流+28 V的電子設(shè)備應(yīng)能夠在24～32 V間正常工作。到此，80 V浪涌吸收器輸出端輸出了一個(gè)幅度≤32 V的脈動(dòng)直流。在該裝置輸出端對(duì)地加一個(gè)1 μF濾波電容，對(duì)此脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波，就得到了一個(gè)平穩(wěn)的直流電。

3 實(shí)驗(yàn)

采用這種方案制成80 V浪涌吸收器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在輸出功率為80 W的條件下，正常28 V輸入時(shí)，MOSFET器件上的壓降為0.2 V，在從－55+85℃環(huán)境溫度下壓降≤0.4 V，連續(xù)工作12 h，MOSFET器件溫升不超過5℃，可以不用專門加裝散熱片。在施加80 V、50 ms的浪涌電壓時(shí)，輸入浪涌電壓跌落＜0.5 V，80 V浪涌吸收器輸出電壓≤32 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。制成品的體積為30 mm×40 mm×12 mm。

4 結(jié)束語

采用開關(guān)式穩(wěn)壓電路制成的80 V浪涌吸收器，經(jīng)過各種實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了GJB181－86的要求，該裝置電路簡(jiǎn)單、可靠，所選用的元器件都是通用器件，沒有特殊要求，易于采購(gòu)。電路裝配正確，無需調(diào)試就可正常工作。其輸出電流能力可以滿足大多數(shù)機(jī)載電子設(shè)備的用電要求，適用于各種采用直流28 V供電的設(shè)備。合理改變?cè)骷膮?shù)，也可以擴(kuò)展應(yīng)用于別的供電電壓來抑制浪涌。

［1］ 604所，601所，115廠，等.GJB181－86飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求［S］.北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，1987.

［2］ 何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與維修［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.