機(jī)載直流電源

飛亞達(dá)（集團(tuán)）股份有限公司 王文曉 屈 哲 曾慶宇

機(jī)載直流電源

飛亞達(dá)（集團(tuán)）股份有限公司 王文曉 屈 哲 曾慶宇

本文介紹一種滿足RTCA DO-160F適航要求、具有防雷電，防浪涌、過壓、過流保護(hù)以及欠壓續(xù)流等功能的機(jī)載直流電源。

防雷電；防浪涌；機(jī)載直流電源

引言

飛機(jī)在飛行時(shí)常會(huì)遭遇雷電襲擊，雷電是一種自然現(xiàn)象，是天空中帶電云層對(duì)另一種帶異種電荷云層或帶電云層對(duì)地迅猛放電過程。安裝在機(jī)身具有金屬結(jié)構(gòu)件和符合蒙皮組件的飛機(jī)上的直流電源等航電設(shè)備，如果沒有防雷措施，極有可能在遭受雷電直接攻擊，或者受雷電瞬態(tài)感應(yīng)電磁脈沖能量沖擊中失效或者損壞；另外，在飛行過程中，還會(huì)因高空復(fù)雜環(huán)境、機(jī)載發(fā)電機(jī)工況變化、機(jī)載設(shè)備等交互干擾，造成的飛機(jī)機(jī)載設(shè)備供電電源出現(xiàn)電壓尖峰、浪涌、欠壓等現(xiàn)象，均有可能會(huì)使機(jī)載航電設(shè)備失效或者損壞。因此機(jī)載直流電源的防雷電、防浪涌、過壓、過流保護(hù)、欠壓續(xù)流等功能是航電設(shè)備設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。對(duì)飛機(jī)飛行安全極其重要。根據(jù)RTCA DO-160F《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試規(guī)程》適航要求，機(jī)載直流電源需滿足第16章《電源輸入》耐受非正常浪涌電壓80V，持續(xù)100毫秒；電壓尖鋒600V，持續(xù)10微秒沖擊；電源瞬態(tài)供電中斷200毫秒的試驗(yàn)，及第22章《雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感性》的試驗(yàn)要求。

1.總體設(shè)計(jì)

根據(jù)適航指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)具有防雷電，防浪涌、過壓、過流保護(hù)以及欠壓續(xù)流等功能的機(jī)載直流電源。

機(jī)載直流電源要求將發(fā)動(dòng)機(jī)的正常電壓28VDC，轉(zhuǎn)化為航電設(shè)備常用的5VDC與3.3VDC,電源額定功率28W，具有防雷、防浪涌、過壓、過流保護(hù)、欠壓續(xù)流等功能，在飛機(jī)發(fā)電機(jī)供電從22V到32.2V之間均能夠正常工作。

機(jī)載直流電源總體設(shè)計(jì)，包括用于機(jī)載直流電源電路在受到雷電襲擊時(shí)，迅速穩(wěn)壓、移掉大部分浪涌能量的防雷電電路，用于對(duì)電路中的高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾除的電源EMI濾波電路，用于對(duì)機(jī)載直流電源限壓限流的具有防浪涌、過壓以及過流的電壓保護(hù)器電路以及用于將發(fā)電機(jī)發(fā)送過來的直流28V電壓轉(zhuǎn)換成航電設(shè)備常用直流穩(wěn)壓電源而具有防瞬態(tài)中斷的電源穩(wěn)壓電路。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2.機(jī)載直流電源設(shè)計(jì)

2.1 防雷電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

防雷器件的加入不能影響線路的正常工作，這就要保證防雷器件的直流擊穿電壓的下限值必須高于線路的最大正常工作電壓。確定線路所能承受的最高瞬時(shí)電壓值，要確保防雷器件的沖擊擊穿電壓值必須低于此值。以確保當(dāng)瞬間過壓來臨時(shí)，防雷器件的反映速度快于線路的反映速度，搶先一步將過電壓限制在安全值。根據(jù)線路中可能竄入的沖擊電流強(qiáng)度，確定所選用防雷器件必須達(dá)到的耐沖擊電流能力。當(dāng)過電壓消失后，要確保防雷器件及時(shí)恢復(fù)高阻態(tài)，以免影響線路的正常工作。

根據(jù)RTCA DO-160F第22章《雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感性》的試驗(yàn)要求，機(jī)身內(nèi)設(shè)備選擇試驗(yàn)等級(jí)2，功能等級(jí)A，單次脈沖沖擊波形5A號(hào)之峰值電壓、電流為125V/400A，持續(xù)時(shí)間120us；多次脈沖沖擊試驗(yàn)波形3號(hào)正弦衰減波或者余弦衰減波（1Mhz）之峰值電壓、電流為250V/50A。根據(jù)公式：脈沖能量=k*V(t)*I(t)*t，其中k是波形因子取值0.5；V(t)表示最大鉗位電壓，I(t)表示擊穿峰值電流；t表示半峰值電流的持續(xù)時(shí)間。

單次脈沖能量=0.5*125V*400A*120*10-6s=3J

多次脈沖能量=0.86*250V*50A*1*10-6s=0.01J

電路正常工作輸入的最大電壓為32.2V，防雷電路擊穿保護(hù)電壓本設(shè)計(jì)選75V。

防雷網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)合對(duì)稱電路，共模、差模全保護(hù)。圖2中G1～G3為UN2E5-75L陶瓷氣體放電管，RV1～ RV3為壓敏電阻V68ZA10P，防雷器件分別跨接在電源正極與殼地，電源負(fù)極與殼地，電源正極與電源負(fù)極之間。當(dāng)防雷器件兩極受到雷電瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，能以ns級(jí)的速度，將兩級(jí)間的高阻抗變成低阻抗，從殼地泄放高達(dá)數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值，有效保護(hù)其后級(jí)電子電路的敏感器件免受浪涌脈沖的破壞。

圖2 防雷電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.2 電源EMI濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

電源EMI濾波網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，其作用是允許設(shè)備正常工作時(shí)的頻率信號(hào)進(jìn)入設(shè)備，而對(duì)高頻的干擾信號(hào)有較大的阻礙作用。本文中的EMI濾波器電路，其功能是抑制電源線中的高頻脈沖分量，高頻電容C1～C3與共模電感T1可有效地抑制電源中的高頻脈沖分量。圖3中Rn1為負(fù)溫度系數(shù)防電壓浪涌NTC電阻10D10R，F(xiàn)1為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，R1為限流電阻，10歐姆功率1W（見圖3）。

2.3 防浪涌、過壓、過流保護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

電源防浪涌、過壓、過流保護(hù)電路，見圖4，D1為防電源反接保護(hù)二極管S1J，D2為電壓鉗位二極管SMCJ78A，泄放高于78V的瞬態(tài)脈沖能量，將浪涌電壓鉗位在78V。D3、D4為二極管BAS16，與電阻R2、R3、三極管Q1組成恒流源給穩(wěn)壓二極管D5供電，當(dāng)電源電壓高于30V時(shí)，D5穩(wěn)壓管工作將陰極電壓鉗位在30V。

過壓、過流保護(hù)電路工作原理為：R5為電流采樣電阻，也是電流過流保護(hù)電阻。Q2的B極被鉗位在30V，當(dāng)Q2的C、E極導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)R5的電流增大，使Q2的E極電壓增大直至Q2的BE極出現(xiàn)臨界反偏，Q2開始截止，當(dāng)Q2截止，Q3截止，流經(jīng)R5的電流減少，R5兩端電壓下降，Q2的BE極電壓正偏，Q2又開始導(dǎo)通，所以Q2一直工作在開關(guān)狀態(tài)，使得Q2三極管BE電壓與電流采樣電阻R5的電壓之和不大于二極管D6、D7的管壓降，同時(shí)使Q3也工作在開關(guān)功率調(diào)整狀態(tài)，從而將輸出電壓穩(wěn)壓在最高30V，最大輸出電流1A；當(dāng)輸入電壓低于30V時(shí)，輸出端電壓跟隨輸入端電壓。其中C7、C8穩(wěn)壓濾波電容，R6、R7為輸出阻抗匹配電阻，L1、L2電感可抑制電源高頻諧波（見圖4）。

2.4 防供電瞬態(tài)中斷電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

防供電瞬態(tài)中斷與5VDC電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)見圖5，具有防供電瞬態(tài)中斷與5VDC電源穩(wěn)壓電路，其功能是將從發(fā)電機(jī)過來的28VDC轉(zhuǎn)換成航電設(shè)備常用的直流穩(wěn)壓電源5V，其中D403為防電源反接保護(hù)二極管，C403為高頻濾波電容10nF/100V,其中C431儲(chǔ)能電容1000uF，當(dāng)發(fā)電機(jī)的供電瞬態(tài)中斷時(shí)，儲(chǔ)能電容給后級(jí)穩(wěn)壓芯片持續(xù)供電至少200ms。

圖3 電源EMI濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖4 防浪涌、過壓、過流保護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖5 具有防供電瞬態(tài)中斷與5VDC電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

圖6 具有防供電瞬態(tài)中斷與3.3VDC電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

U402為L(zhǎng)M2825N-5.0輸出電壓5VDC高效率（功率轉(zhuǎn)化率85%）穩(wěn)壓芯片。電容C408、C426、C427、C419與電感L402構(gòu)成π型穩(wěn)壓濾波電路（見圖5）。

防供電瞬態(tài)中斷與3.3VDC電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)見圖6。

3.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的機(jī)載直流電源具有防雷電、防脈沖浪涌、過壓、過流保護(hù)、欠壓續(xù)流等功能，為航電設(shè)備提供安全可靠的3.3V、5V直流穩(wěn)壓電源，滿足RTCA DO-160F適航要求，確保機(jī)載航電設(shè)備安全。

[1]萬(wàn)波.一種機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護(hù)結(jié)構(gòu)[P].中國(guó)發(fā)明專利,CN 104578028 A.2015-04-29.

[2]王福春,等.一種機(jī)載電源耐過欠壓浪涌保護(hù)電路[P].中國(guó)實(shí)用新型專利,CN 204168137 U.2015-02-18.

[3]龍宇,張星星.機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀供電裝置[P].中國(guó)發(fā)明專利,CN 104362722 A.2015-02-18.

[4]康華,等.一種具有422通訊功能的機(jī)載設(shè)備雷電抑制器[P].中國(guó)發(fā)明專利,CN 105186484 A.2015-12-23.

[5]RTCA DO-160F-2007,Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment(機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試規(guī)程)[S].

王文曉（1982-），男，廣東化州人，大學(xué)本科，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，主要研究嵌入式單片機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。

屈哲（1985-），男，湖南張家界人，大學(xué)本科，主要研究嵌入式軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成。

曾慶宇（1985-），男，湖南岳陽(yáng)人，大學(xué)本科，主要研究嵌入式單片機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。