一種用于星載設備的并聯(lián)型啟動電流抑制電路設計

吳玉田 孫吉利 禹衛(wèi)東

(中國科學院電子學研究所，北京 100190)

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一種用于星載設備的并聯(lián)型啟動電流抑制電路設計

吳玉田 孫吉利 禹衛(wèi)東

(中國科學院電子學研究所，北京 100190)

針對目前常用的啟動電流抑制電路存在難以標準化、系列化的問題，提出一種并聯(lián)型的啟動電流抑制電路，分析了其電路特點及適用場合。通過在某衛(wèi)星載荷設備中使用的具體實例，驗證了此電路能有效降低載荷分系統(tǒng)加電時的啟動電流。測試結果表明，該電路可以成為使能端控制、集中供配電系統(tǒng)各單機的共享式啟動電流抑制電路，亦可為同類設計提供參考。

啟動電流；并聯(lián)型啟動電流抑制電路；共享式啟動電流抑制電路

1 引言

在星載設備中，來自衛(wèi)星的一次直流電源通過衛(wèi)星總體電源控制器向各載荷設備供電，在設備加電的瞬間，電源會對設備中的濾波電容進行充電[1-2]，由于電容的等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)很小，電容在充電瞬間近似短路，會產生很大的啟動電流(Inrush Current)，電流峰值高達幾十安培，相當于正常工作電流的幾倍到十幾倍。特別是當載荷設備所有單機同時加電時，各單機的啟動電流疊加在一起，峰值可能會超過100 A。這么高的啟動電流可能會導致繼電器觸點粘連、熔斷器燒斷，甚至超出電源系統(tǒng)輸出浪涌電流能力，導致電源母線電壓瞬間大幅度下跌，影響星上設備正常工作，對衛(wèi)星電源安全造成威脅。

鑒于此，在星載設備供電回路中必須采取啟動電流抑制措施，把啟動電流限制在一定的范圍內，確保星上各設備自身的啟動電流小于電源系統(tǒng)母線提供的浪涌電流能力，確保電源母線安全，且不影響其它設備正常工作。

目前，在星載設備中，啟動電流抑制電路往往串聯(lián)在供電回路中，工作期間設備正常工作電流始終流經該電路，電路的元器件選擇必須考慮設備正常工作電流的要求，難以做到標準化。

針對這種串聯(lián)型啟動電流抑制電路存在的不足，本文提出一種并聯(lián)型啟動電流抑制電路構型，能夠有效解決這一問題。首先介紹常用啟動電流抑制電路的共同特點，分析其不足，然后,在其基礎上提出一種新型啟動電流抑制電路構型，分析其設計思想，最后，結合采用該構型的某衛(wèi)星載荷配電器的具體設計，通過試驗及在軌測試，驗證了此構型設計的正確性。

2 串聯(lián)型啟動電流抑制電路

在星載設備中，常用的啟動電流抑制電路主要有限流電阻法、預充電法和以降低輸入電壓上升速率為目的的軟啟動法等[3-4]，這些方法對啟動電流都有一定的抑制作用。但這些啟動電流抑制電路用在各單機內部，如圖1所示，在一次電源回路中，串聯(lián)在熔斷器保護電路與電磁干擾(EMI)濾波器之間。除了在加電期間產生的啟動電流，工作期間正常工作電流也始終流經啟動電流抑制電路，因此該電路的元器件參數(shù)(額定電流、額定功耗、熱阻等)必須滿足設備工作電流的要求。當單機功率比較小，工作電流在1 A以內，對啟動電流抑制電路的元器件功率要求不高，體積、質量也不大，這種電路配置能夠滿足單機要求，可靠性也比較高。當單機功率較大，電流大于2 A時，對啟動電流抑制電路的元器件選擇帶來困難，隨著功率的提高，體積、質量都變大，須要采取特殊的散熱措施，電路調試復雜化。這種串聯(lián)型啟動電流抑制電路與工作電流密切相關，不同單機中即使啟動電流抑制電路原理、組成相同，元器件參數(shù)也往往不同，難以做到標準化。

圖1 帶串聯(lián)型啟動電流抑制電路的28 V供電電路Fig.1 28V power supply diagram with series circuit suspressing inrush current

3 并聯(lián)型啟動電流抑制電路

鑒于串聯(lián)型啟動電流抑制電路的不足，提出一種新的啟動電流抑制電路構型：并聯(lián)型啟動電流抑制電路，它可以克服這一缺陷。

并聯(lián)型啟動電流抑制電路構型如圖2所示，啟動電流抑制電路首先與抑制電路開關串聯(lián)，然后再與供電開關并聯(lián)，形成一種與供電電路并聯(lián)的啟動電流抑制電路構型。采取這種構型的電子設備，加電時首先接通抑制電路開關，讓電源通過啟動電流抑制電路向設備內部等效電容充電，經過一小段時間(幾百毫秒或1 s)開機啟動電流已過去，再接通供電開關，讓電源通過供電開關直接向設備供電，隨后斷開抑制電路開關，這時設備進入正常工作階段，正常工作電流由供電開關提供，不流經啟動電流抑制電路，斷電時直接斷開供電開關即可。這樣啟動電流抑制電路僅僅在加電瞬間工作，而正常工作由供電開關供電，從而大大降低了啟動電流抑制電路的工作時間，提高了可靠性。另外，啟動電流抑制電路與供電電路并聯(lián)，即使該電路出了故障，也不影響供電電路，從而提高了設備供電可靠性。

圖2 并聯(lián)型啟動電流抑制電路構型示意圖Fig.2 Topology diagram of parellel circuit suppressing inrush current

目前，星載電子設備使用的電源模塊一般都有使能控制端，如Interpoint公司的DC/DC有使能(Inhibit)控制端，Inhibit懸空，DC/DC處于使能狀態(tài)、有輸出；Inhibit接地，DC/DC處于禁止狀態(tài)、沒有輸出。設備的開關機大部分是通過使能端控制的，在加電前，電源模塊處于關機狀態(tài)，在啟動電流抑制電路接通期間只有啟動電流，沒有工作電流，這樣啟動電流抑制電路中元器件的參數(shù)與設備工作電流的大小關系不大，只與啟動電流自身和電源設備所能提供的浪涌電流的大小有關，可以做成標準的、系列化、模塊化電路，用在多個設備中，能有效縮短設計和調試時間。

這種并聯(lián)型啟動電流抑制電路既可以用在單個電子設備內部，也可以用在集中供配電的載荷配電器中，多個單機共享一個啟動電流抑制電路，如圖3所示，單機內不需要自己的啟動電流抑制電路，簡化了電路設計。本電路需要增加兩個開關以及對開關進行控制的指令，這對單個電子設備來說可能是個問題，但對集中供配電的配電器來說，內部本身就有許多開關需要指令控制，這種并聯(lián)型啟動電流抑制電路特別適合設計在配電器內部，便于衛(wèi)星星務子系統(tǒng)對這兩個開關的控制。從分系統(tǒng)的角度出發(fā)，在供電開關的開關機次數(shù)并不增加的情況下，增加兩條對抑制電路開關的控制指令，就可以實現(xiàn)分系統(tǒng)抑制啟動電流的要求。

這種共享式啟動電流抑制電路構型，就是普通啟動電流抑制電路與供電電路的有機結合，各單機不再須要設計自己的內部啟動電流抑制電路，從整體上優(yōu)化了載荷設備的電路設計，減輕了單機的體積、質量的要求。

圖3 共享式啟動電流抑制電路Fig.3 Diagram of shared circuit suppressing inrush current

4 某衛(wèi)星載荷設備中的啟動電流抑制電路

4.1 帶啟動電流抑制功能的供電電路構成

在某衛(wèi)星中，載荷設備由許多單機組成，各單機使用Interpoint公司的DC/DC模塊，開關機使用Inhibit端控制，采取集中供配電方式，其中配電器就是其它各單機的電源分配者和開、關機控制者。啟動電流抑制電路就位于配電器中，如圖4所示，3個虛線框分別為圖3中抑制電路開關、啟動電流抑制電路和供電開關3個功能模塊的具體電路實現(xiàn)，使用磁保持繼電器作為電路開關，抑制電路開關使用一個磁保持繼電器，供電開關由兩個磁保持繼電器并聯(lián)構成，啟動電流抑制電路選用基于P溝道MOSFET管的電路形式[2,5]，三者共同形成一種與圖3類似的共享式啟動電流抑制電路構型。在28 V一次電源加電前和啟動電流抑制電路工作期間，各單機處于關機狀態(tài)，只有在啟動電流抑制電路工作過程結束后才可根據(jù)需要進行開關機。

抑制電路開關的接通和斷開分別由兩條指令(Inrush_ON和Inrush_OFF)控制，供電電源的接通和斷開由另兩條指令(28V_ON和28V_OFF)控制，在加電時先發(fā)出Inrush_ON指令，通過啟動電流抑制電路向設備內部供電，等待1 s后，啟動電流已過去，然后再發(fā)出28V_ON指令，隨后發(fā)出Inrush_OFF指令。這時啟動電流抑制電路已斷開，各單機供電輸入端加上28 V電源，而各單機還處于關機狀態(tài)，各單機是否開機則通過單機自身的Inhibit端來控制。成像時各單機全部開機，成像結束，各單機關機，斷電時直接發(fā)出28V_OFF。

4.2 電路工作原理

圖4中的啟動電流抑制電路本質上是一種以降低輸入電壓上升速率為目的的軟啟動電路。它屬于軟啟動電路的一種，圖5給出該電路的等效電路。在圖5中Q1為MOSFET管，其偏置電路由2個電阻和1個電容組成，輸入電壓經電阻分壓產生一個約10 V的電壓，加在MOSFET的源極與柵極之間，為穩(wěn)態(tài)工作提供偏置電壓，電容與下邊電阻R2形成一個積分電路，它與MOSFET管構成一個單穩(wěn)態(tài)電路。

圖4 某衛(wèi)星載荷設備中的帶啟動電流抑制功能的供配電電路Fig.4 Power supply circuit with suspressing inrush current in a certain satellite payload devices

圖5 啟動電流抑制電路的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of inrush current suspressing circuit

電路工作過程如下，當沒有28 V輸入時，C1上沒有電荷，兩端電壓為零，場效應管Q1截止，當抑制電路開關閉合后，電路進入暫態(tài)，28 V輸入電壓通過R2向C1充電，電容兩端的電壓開始按指數(shù)曲線緩慢上升，當電壓到達Vsg(MOSFET管源極與柵極之間電壓)的門限電壓時，MOSFET管開始導通，隨著電容兩端電壓的進一步升高，MOSFET管進入飽和導通階段，當電容充電完成后，單穩(wěn)態(tài)結束，進入穩(wěn)態(tài)，這時電容兩端電壓等于電阻的分壓值，約為10 V，MOSFET管進入深度飽和狀態(tài)，相當于一個閉合的開關。在暫態(tài)過程中，也就是MOSFET管進入飽和導通的過程中，輸入電壓通過MOSFET向后端電容(各電源模塊前電容的等效電容)逐漸充電，延長了充電時間、降低了充電電流，從而使啟動電流得到抑制。暫態(tài)時間的長短由時間常數(shù)R2×C1決定，調整R1、R2和C1的值，可以使設備端啟動電流的抑制效果達到最佳。

4.3 測試驗證

在測試驗證中關鍵的一步是啟動電流的測量[6]，有很多因素影響啟動電流的測量結果。如直流電源瞬態(tài)特性、負載端抑制電路開關的開關速度、供電電纜的等效電阻等，對于直流電源來說，使用瞬態(tài)特性(如瞬態(tài)輸出阻抗等)不同的直流電源測試結果會不同，同一電源使用不同的限流設置也會影響測試結果。啟動電流抑制電路開關的響應時間關系到輸出電壓的上升沿的陡峭程度，會直接影響啟動電流的測試結果。供電電纜的等效回路電阻會影響啟動電流的最大值。總之，只有在相同測試條件下的測試結果才具有可比性，測量中使用的主要設備包括直流電源、示波器和電流探頭。

測試分兩個階段進行。在第一階段的測試中，配電器只向一個單機供電，測試結果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6所示為未加啟動電流抑制電路時的啟動電流波形圖，峰值為88.8 A，持續(xù)時間約為0.1 ms，如果所有單機都連上，啟動電流將會更大，可見抑制各負載端啟動電流非常有必要。

圖6 初次加電時未經抑制的啟動電流Fig.6 Waveform of inrush current without limit during powering up

圖7為增加了啟動電流抑制電路后各相關信號的波形圖，波形1為啟動電流抑制電路的輸入電壓，波形2為輸出電壓，該電壓經啟動電流抑制電路延遲了238.0 ms，電壓上升速率明顯變緩，從0 V到28 V用了約40 ms，波形3為電流波形，經啟動電流抑制電路抑制后的啟動電流峰值僅為448.0 mA，抑制效果非常突出，電流波形為下凹型上升曲線，與最佳啟動電流波形[7]基本一致，這時MOSFET管最大功耗接近最小。文獻[7]中詳細討論了啟動電流的最佳抑制問題，認為使啟動電流抑制管的最大瞬時功率最小為最佳抑制，并據(jù)此推導出滿足該條件的佳啟動電流，在該文的圖5中顯示了最佳啟動電流波形，該波形與本文的啟動電流波形基本一致。

圖7 啟動電流抑制電路中的相關信號波形圖Fig.7 Waveforms of related signals in the circuit suspressing inrush current

圖8重點關注了MOSFET管柵極的電壓的變化情況，該電壓在暫態(tài)充電過程中按照指數(shù)規(guī)律下降，利用示波器的數(shù)學運算功能，把波形1的輸入電壓減去波形2的柵極電壓得到波形4的源極-柵極之間電壓，可以看出該電壓按指數(shù)規(guī)律從0開始增大，直到電阻分壓值。波形3為抑制后的啟動電流，峰值為416.0 mA，峰值后的電流為單機處于使能關機時系統(tǒng)靜態(tài)電流值，約為20 mA。

圖8 啟動電流抑制電路中柵源電壓Vsg波形圖Fig.8 Vsg waveform of the circuit suspressing inrush current

上述測試結果表明，啟動電流抑制電路的實際運行情況與分析完全一致，能有效抑制啟動電流。該電路本質上就是延緩輸出電壓的上升，其上升時間由充電時間常數(shù)決定，通過改變充電時間常數(shù)，可以使啟動電流滿足系統(tǒng)要求。

第二個階段的測試是在載荷設備聯(lián)試時進行，這時所有單機都按照正常工作方式連接在一起，這種情況下的測試結果，最接近衛(wèi)星在軌運行的真實狀態(tài)。圖9為未使用啟動電流抑制電路時的加電啟動電流波形。配電器向所有單機加電，啟動電流峰值為187.5 A，持續(xù)時間約為100 μs。圖10為使用啟動電流抑制電路后的測試結果，啟動電流峰值為1.76 A，持續(xù)時間約為24.7 ms，啟動電流抑制電路已發(fā)揮了作用，啟動電流過去后的穩(wěn)態(tài)電流為195.0 mA，為載荷設備未開機時的靜態(tài)電流。

圖9 載荷設備聯(lián)調時加電啟動電流(未使用啟動電流抑制電路)Fig.9 Waveform of inrush current in payload devices integration testing(without in-rush current suspressing circuit)

圖10 載荷設備聯(lián)調時加電啟動電流(使用啟動電流抑制電路)Fig.10 Waveform of in-rush current in payload devices integration testing(with inrush current suspressing circuit)

目前國內對星載設備啟動電流要求基本相同，主要應滿足以下3條：①啟動電流大小應限制到其相應額定電流的1.5倍以內或2 A以內，取其較大者；②持續(xù)時間不大于5 ms；③上升斜率不大于105A/s。在圖10中若按峰-峰值1.81 A計算，電流上升斜率為73.3 A/s,載荷分系統(tǒng)正常工作電流為5.46 A(分系統(tǒng)設備全部工作時的測試值)，對比后發(fā)現(xiàn)只有第二條不滿足，持續(xù)時間大于5 ms，為24.7 ms，但考慮到啟動電流的峰值受到抑制后，持續(xù)時間必然會延長。

聯(lián)試結果說明，啟動電流抑制電路發(fā)揮作用，有效降低了系統(tǒng)加電啟動電流。

該衛(wèi)星在軌測試期間配電器工作正常，啟動電流抑制電路運行良好，保證了電源系統(tǒng)正常運行。通過在軌測試驗證，說明這種并聯(lián)型、共享式啟動電流抑制電路能夠有效保護星上電源安全運行。

5 結束語

針對從單機設計出發(fā)的串聯(lián)型啟動電流抑制電路的缺點，本文從分系統(tǒng)供配電技術的角度，提出一種并聯(lián)型、共享式啟動電流抑制電路，解決了串聯(lián)型啟動電流抑制電路存在的問題。這種并聯(lián)型啟動電流抑制電路構型，可以成為一種分系統(tǒng)共享式啟動電流抑制電路構型的參考設計，符合標準化、系列化、模塊化的設計思路，從而簡化了單機啟動電流抑制電路設計。該構型目前已應用在多個衛(wèi)星項目中，包括上文提到的那個衛(wèi)星項目在內，已有兩個成功發(fā)射，一直運行良好，另外幾個正處于研制中，在這些應用中，啟動電流抑制電路的電路原理、組成等完全一致，大大節(jié)省了設計和調試時間，提高了研制效率。

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(編輯：李多)

Design of Parallel Circuit Suppressing Inrush Current for Satellite-borne Electronic Devices

WU Yutian SUN Jili YU Weidong

(Institute of Electronics，Chinese Academy Sciences，Beijing 100190，China)

In view of the difficulty of standardization,serialization and so on in current common inrush current suppressing circuits,a parallelled circuit suppressiing inrush current is proposed in this paper.The characteristics of the circuit and its suitable situation is analyzed in detail.Through a practical case of the circuit in a certain satellite payload devices,it is verified that the circuit can effectively reduce the inrush current of the payload subsystem when it is powered on.The results show that the circuit can be used as a shared circuit suppressing inrush current for each device in centralized power distribution device based inhibit function.The results also provide reference for similar design.

inrush current;parellel circuit suppressing inrush current;shared circuit suppressing inrush current

2017-05-08；

2017-05-25

國家重大航天工程

吳玉田，男，碩士，從事星載設備供配電技術研究。Email：ytwu001@mail.ie.ac.cn。

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.010