載機電源適應性設計*

王志剛　張　崇

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所　宜昌　443003)

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載機電源適應性設計*

王志剛張崇

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所宜昌443003)

摘要針對機載電子產品大多需滿足GJB181的要求，論文對載機電源特性設計進行了分析，介紹了載機電源過壓浪涌、尖峰脈沖的特點以及TVS管工作原理，論述了耐過壓浪涌和耐尖峰脈沖電路的設計原則和方法。結合機載電子產品電源適應性需求，詳細介紹了一種耐過壓浪涌和尖峰脈沖電路設計。最后通過分析和實測，表明該電路能夠有效抑制載機電源產生的過壓浪涌和尖峰脈沖，從而順利通過供電特性測試。

關鍵詞GJB181; 電源特性; 過壓浪涌; 尖峰脈沖

Class NumberTN702

1引言

載機在飛行和執行任務期間，機上供電系統會因為執行某種預定的工作任務而發生瞬態負載特性的變化，如:用電設備的通斷、主發動機轉速的變化、匯流條轉換或者電源的同步和并聯等，這時，系統電壓出現“電壓瞬態”[1]。電壓瞬態包括轉換工作時產生的電壓尖峰和浪涌等。短時的瞬態電壓(浪涌電壓和尖峰電壓)大大地超過穩態電源電壓，可能使整個系統停頓、通信中止，當它加載到用電設備的芯片上時，往往造成誤操作和芯片的損壞。因此，機載產品的電源模塊必須要能抵抗浪涌電壓和尖峰電壓。

2載機電源特性要求

GJB181-1986《飛機供電特性及對用電設備的要求》，規定了飛機電氣系統中用電設備輸入端的供電特性，同時也對采用本特性供電的用電設備給出了相關要求，主要包括耐尖峰電壓、耐過壓浪涌、耐欠壓浪涌和瞬時斷電要求。

低壓直流電源系統主要由直流發電機、調壓器、保護器和濾波器等組成，當發電機工作在額定負載時，由于某種原因負載突然斷開，或主要的大負載突卸，會引起發電機匯流條電壓短時升高，產生過壓浪涌；過壓浪涌如圖1所示，過壓80V，持續時間50ms，過壓浪涌是間歇性的，電路大部分時間工作在額定輸入范圍內。

在飛機電源系統中，用電設備存在電感和電容等儲能元件，在電源接通和斷開過程中也會產生浪涌電壓和尖峰電壓，特別是在感性負載斷開和繼電器轉換過程中，形成幾百伏、甚至上千伏的尖峰電壓。同時，外界的雷電放電會在飛機的周圍建立起變化的電磁場，電磁場能夠通過金屬蒙皮，或者直接穿透孔洞或其他非金屬部位。由于場隨時間變化，因此會在飛機內部的電路中感應產生瞬時的尖峰電壓。GJB181要求用電設備應能通過直流電源線上的600V/10μs正、負極性的尖峰信號[2～4]。尖峰脈沖特性如圖2所示。

圖1　過壓浪涌

圖2　尖峰脈沖

3設計原理

3.1耐過壓浪涌電路

對于過壓浪涌，給出了如圖3所示的耐過壓浪涌電路。在額定輸入時，輸入側通過電阻R給三極管提供基極電流，三極管導通；當輸入側發生過壓浪涌時，穩壓管擊穿，輸出電壓為穩壓值減去三極管發射結壓降(通常為0.7V)。為了防止發生過壓浪涌時，流過電阻R的電流過大，電阻R的取值較大。

該電路結構簡單，由于三極管的導通壓降，電路在額定輸入時，損耗較大。如額定輸入28V，輸出電流10A，如果功率三極管的導通壓降為2V，那么在額定輸入情況下，三極管的損耗就有20W。由于R值較大，在額定輸入情況下，基極電流較小，要使電路輸出較大的電流，三極管的放大倍數應選得很大[5]。

圖3　耐過壓浪涌電路

3.2耐電壓尖峰設計

處理瞬時脈沖電壓對器件損害或電路功能影響的最好辦法就是將瞬時電流從敏感器件或電路旁引開，常用的尖峰抑制器件主要是瞬態電壓抑制二極管(TVS管)。TVS利用其PN結的反向特性對電路進行瞬態保護，當施加電壓在一定范圍內時，TVS呈高阻狀態，當施加電壓增加到某一值時，反向電流急劇增加并把電壓鉗位在預定的電壓。其主要參數有:擊穿電壓VBR、鉗位電壓VC、最大反向工作電壓VWM以及脈沖峰值功率PPP。低于擊穿電壓VBR是不會發生雪崩的，最大反向工作電壓VWM是在正常狀態時可承受的電壓，一般VWM=(0.81～0.85)VBR。此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓，盡量與被保護電路的正常工作電壓接近。圖5表明當瞬時脈沖峰值電流出現時，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數下降，箝位電壓亦下降，恢復到原來的狀態。因此，TVS器件能夠抑制可能出現的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護電子線路[6～10]。

圖4　單向TVS二極管的伏安特性曲線

圖5　脈沖功率與時間曲線

3.3尖峰電壓的信號特征

4設計方案及測試結果

飛機在采用機載供電系統供電時，其輸出范圍為23V～32V；采用蓄電池供電時，電壓范圍為18V～24V[4]。按照GJB181要求，所有載機產品均要求能夠適應載機電源特性。結合產品供電特性，要求能夠將飛機輸出電壓穩定在25V±1V左右，該電壓值能夠滿足大部分機載產品工作要求。

穩壓電路采用分級形式設計，共分為三級，如圖6所示。第一級是預穩壓電路，主要作用是將機載電源產生的過壓浪涌和尖峰脈沖穩定在50V以下輸出給下一級；第二級是降壓電路，主要作用是將第一級的輸出電壓降到28V左右輸出給下一級；第三級是升壓穩壓電路，其主要作用是將輸入電壓穩定在25V。

圖6穩壓電路設計原理圖

穩壓電路的第一級主要由TVS管、穩壓管、電阻和達林頓三極管組成一個預穩壓電路，如圖7所示。

圖7　第一級預穩壓電路

其中V1、V2為兩只TVS管，最大擊穿電壓為105V，鉗位電壓為137V，尖峰電流為11A，瞬間功率為1500W，并聯使用時耐受功率加倍。V3為穩壓管，穩壓值在50V～52V之間，功率為1.5W。V6為達林頓三極管，VCEO=350V，VCBO=700V，Hfe=300～2000，VCE(sat)=1.5V，VBE(sat)=2V，可過電流4A。第一級的作用是將80V/50ms過壓浪涌和600V/10μs尖峰脈沖穩定在后級的65V輸入電壓范圍之內。

三極管VCB≈VCE=137-52=85V<350V，滿足指標要求。經過第一級預穩壓電路最終可以把電壓穩定的50左右。80V過壓浪涌經第一級預穩壓后輸出穩定如圖8所示，600V尖峰脈沖經第一級預穩壓后輸出穩定如圖9所示。

圖8　80V過壓浪涌輸入時第一級輸出波形圖

圖9　600V尖峰脈沖輸入時第一級輸出波形圖

穩壓電路的第二級主要使用BUCK型的開關芯片LM2576HVS，和外圍元器件組成一個降壓電路，其電路圖如圖10所示。

此芯片的輸入范圍為3V～65V，帶負載能力為3A。最終的輸出電壓計算公式為:Vout=1.23*(1+R2/R3)=25.8V，滿足后級的4.5V～36V的輸入范圍，實際測量輸出為26V左右。

穩壓電路的第三級級使用BUCK-BOOST型的集成芯片LTM4609和外圍元器件組成一個穩壓電路，其電路圖如圖11所示。

圖10　第二級降壓電路圖

圖11　第三級升壓穩壓電路圖

圖12　耐過壓浪涌測試波形

圖13　耐尖峰脈沖測試波形

實測過程中，在穩壓電路第一級輸入端加入18V～32V電壓時，第三極輸出端可得到25V穩定輸出；在第一級輸入80V/50ms過壓浪涌時，第三級輸出端可得到25V穩定輸出，如圖12所示。在穩壓電路第一級輸入600V/10μs尖峰脈沖時，在第三級輸出端存在24～26V/160μs抖動，如圖13所示。因此，該電路設計能夠滿足使用要求。

5結語

本文針對載機電源的特性分析了耐過浪涌電壓和耐尖峰脈沖電路的設計原則和方法。結合機載產品供電需求，詳細介紹了一種分級設計的浪涌電壓和尖峰脈沖抑制電路。該電路結構簡單，升壓和降壓選用集成芯片，元器件體積小，性能穩定。經過實際測試和驗證，此電路的浪涌和尖峰抑制性能良好，達到了設計目標，可以廣泛應用于各種機載產品浪涌抑制和尖峰脈沖抑制的設備上。

參 考 文 獻

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Adaptation Design of Aircraft Power

WANG ZhigangZHANG Chong

( No.710 Research Institute of CSIC, Yichang443003)

AbstractMost aircraft electronic equipment need to meet the demand of GJB181, to address this issue, the characteristic of the aircraft power is analyzed, the characters of surge, peak pulse and the operating principle of TVS (Transient Voltage Suppressor) are described, the principles and the methods are discussed to design the circuit of surge and peak pulse suppression. Combined with the adaptation of aircraft electronic equipment，a kind of surge and peak pulse suppression circuit is introduced in detail. After the analysis and test, the circuit can effectively suppress the surge and peak pulse.

Key WordsGJB181, power characteristic, surge, peak pulse

* 收稿日期：2015年11月27日,修回日期：2015年12月30日

作者簡介：王志剛，男，碩士，工程師，研究方向：電子總體技術。張崇，男，工程師，研究方向：電子總體技術。

中圖分類號TN702

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.034