星載電路浪涌防護的設計及其測試方法

干練 秦琨 陳贊 韋博 羅笑林

摘要：文章介紹了目前衛星星上單機設備啟動/浪涌電流而進行改進的措施，以及相應的設備啟動/浪涌電流的測試方法，規范浪涌的設計方法和測試方法，提出防浪涌設計參考電路。

關鍵詞：衛星；防浪涌設計；測試方法

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0187-02

隨著空間載荷平臺技術的發展和應用任務需求的增加，衛星供電的純潔度和穩定性的要求也在不斷提高。目前，衛星產品上陸續發生過產品由于供電電路/接口電路設計時考慮不周，導致產品在整星聯試過程中因啟動/浪涌電流過大及從線纜上感應到其它設備的啟動電流而使產品受損或產生誤操作從而影響了產品/系統的生產進度，甚至影響了整星的正常工作。

1 簡介

浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠遠大于穩態輸入電流。浪涌是指當電壓增加持續三毫微秒（十億分之一秒）或更長時間時被稱為浪涌。尖峰是指當電壓增加僅持續一毫微秒或兩毫微秒時被稱為尖峰。

本文主要通過對工程實際運用中發生的由于啟動/浪涌電流過大而導致的問題的故障案例進行匯總分析，并結合目前衛星產品為改善設備啟動/浪涌電流而進行改進的措施，以及相應的設備啟動/浪涌電流的測試方法，規范浪涌的設計方法和測試方法，提出防浪涌設計參考電路。

2 單機浪涌現象引起的普遍性問題及危害

在電路設計中，由于濾波的考慮及器件等的要求，在電路中增加一些電容在所難免，因此浪涌電流的存在也是必然的。在電源啟動時，這些電容被迅速充電，微觀上考慮相當于瞬間短路，產生很大的電流，這個電流是額定電流的幾倍甚至是幾十倍，如果浪涌電流大，這可能會破壞供電系統，影響其它電子設備的正常運行。有時會損壞電源、熔斷器、EMI濾波器、整流橋、濾波電容，甚至印刷電路板等元器件。有時雖然看不到顯性損壞，但是隱性損壞降低了設備的可靠性。

除了對供電鏈路上的設備產生影響，浪涌電流一旦感應到相鄰的控制線或信號線上，將導致其它設備指令誤操作或檢測信號異常導致監控中心誤判，并且還極易導致接口器件損壞，影響設備的功能和壽命。

3 浪涌抑制電路設計與分析

3.1 高速浪涌電流的基本原理

電容是一種儲能元件。當電容兩端電勢不同時，電荷向電容的一個極板靠攏，從而導致電容充電現象。這種現象就是產生浪涌電流的根本原因。

電容充電的計算公式：Vt=V0+（V1-V0）*[1-exp（-t/RC）]

例如，對于圖1所示電路，當把單刀雙擲開關接至位置（1）時，電源向電容器充電，同時在示波器上出現充電波形。從波形圖線可以看出，電容器的充電過程是暫態過程，僅在接通電源和短路的短時間里有短暫的電流，充電時電壓隨時間的變化圖線是指數曲線。

如果改變圖1中電位器的值（R↑），或更換電解電容（C↑），充電時電壓的變化都趨于緩慢。說明表征充放電快慢的時間常數τ與電阻R和電容C有關，R和C越大，則τ越大（τ=RC），電壓變化越緩慢。

3.2 浪涌電流保護電路的幾種方案比較及分析

根據能量守恒定律，上電期間所需要的總能量是保持不變的，各種保護方法的效果就是減小瞬間電流的大小，將能量分攤到更很長的時間內，q=∫pt，總能量 q是不變化的，當t增加時，每個時間點上的電流i就會變小，使其達到電路可接受的范圍。

3.2.1 串聯電阻/NTC熱敏電阻抑制浪涌電流

在回路中串聯一個適當的電阻（把電阻換成負溫度系數熱敏電阻是一種改進），既可以把浪涌電流限制在可接受的范圍內，又不影響產品的正常工作。

功率型NTC熱敏電阻器是以過渡金屬氧化物為主要原料制造的半導體陶瓷元件，屬于負溫度系數熱敏電阻器范疇，當電流直接加在功率型NTC熱敏電阻器上時，其電阻值就會隨著電阻體發熱而迅速下降。由于功率型NTC熱敏電阻器有一個規定的零功率電阻值，當其串聯在電源回路中時，就可以有效地抑制開機浪涌電流，并且在完成抑制浪涌電流作用以后，由于通過其電流的持續作用，功率型NTC熱敏電阻器的電阻值將下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不計，不會對正常的工作電流造成影響。所以，在電源回路中使用功率型NTC熱敏電阻器，是抑制開機時的浪涌電流，以保護電子設備免遭破壞的最為簡便而有效的措施。

但是，采用熱敏電阻來抑制浪涌電流有他的缺陷，當連續幾次加電時，由于熱敏電阻不能有效的冷卻，這樣導致他的電阻一直很小，從而抑制浪涌電流的效果大大降低。

3.2.2 負端采用場效應管抑制浪涌電流

采用場效應管不僅可以有效的抑制浪涌電流，而且可以避免熱敏電阻因連續上電不能有效抑制浪涌電流的缺陷，特別是在小電流、低電壓工作時，場效應管可作為電壓控制的可變線性電阻和導通電阻很小的無觸點電子開關：

N溝道場效應管的漏極特性曲線，曲線可分為可變電阻區、恒流區、夾斷區三部分。場效應管工作在可變電阻區時，ID隨VDS的增加幾乎成線性增大，而增大的比值受VGS控制，這樣就可以把管子的D、S間看成一個受電壓VGS控制的線性電阻。

為消除浪涌電流，應使場效應管在可變電阻區工作一段時間。由于正常開關工作時管子在可變電阻區時間極短，因此需要在柵極增加延時電路。R1與C1組成RC充電電路，R2與C1組成RC放電電路。C2為負載電路電容。

負載端分析：上電瞬間，C1與R1組成的RC電路對C1充電，此時場效應管Vgs電壓為0，漏極和源極內阻Ri趨近于無窮大，電流Ids趨近于零。V2在C1充電過程中不斷被抬高，此時場效應管工作于可變電阻區域，其內阻不斷減小。當V2電勢達到一定值時，場效應管進入橫流區，DS導通。此時內阻很小，一般都在幾個歐姆之內。根據不同的電路可以和電容充電公式t = RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]調整電阻R1及電容C1的大小，以達到對浪涌電流更好的抑制效果。

斷電瞬間：C1和R2組成的RC電路對C1放電，理論與充電類似，不再贅述，由于放電時間很短，V2處的電勢很快到達0伏，場效應管在極短時間內進入可變電阻區，這樣就解決了熱敏電阻對連續上電對浪涌電流抑制效果差的問題。

4 浪涌電流的測試方法

4.1 測試設備

4.1.1 供電電源

一般采用直流穩壓電源；直流穩壓電源需具有過流、過壓保護功能，其純阻性負載時的紋波峰峰值小于20mV；一次母線電源和二次母線電源電壓分別按照100V、28.5V設置，一次母線電源應能提供負載工作峰值電流的5倍或12A電流，取其較大者；二次母線電源應能提供負載工作峰值電流的2倍電流。

4.1.2 供電開關

由于開關時間長短對浪涌電流幅值測試有重大影響，所以開關均采用磁保持繼電器的形式（優先考慮到飛行器上供配電設備選用的繼電器，單機內置繼電器的設備可直接將其繼電器作為供電開關）。測量時，供電開關的位置應盡量模擬飛行器上的實際情況（供電控制單元直接供電的負載，供電開關設置為靠近穩壓電源）。

4.1.3 示波器

采用數字示波器進行測試，示波器帶寬要求不低于500MHz，示波器電流測量探頭帶寬不低于100MHz。

4.1.4 負載

如果設備有下一級負載，且在飛行器上存在同時上電的情況，那么測試時需要帶真實負載或相同功率的阻性負載測試。

4.2 測試方法

具體測試方法如圖2。

（1）調節直流穩壓源，使被測設備輸入電壓為標稱值；（2）為模擬設備在系統上的真實接地狀態，將負載設備外殼和供電電源地短接；（3）將負載設置為系統上被測設備加電時相同的工作工況；（4）示波器電壓、電流測試點選取盡量靠近繼電器，電壓測量選取在繼電器之前（靠近穩壓電源一側）；（5）將示波器電流探頭置于供電正線輸出端，示波器設置成上升沿觸發方式，脈沖高度、觸發電平以及觸發脈沖寬度的設置根據實際情況而定；（6） 若設備存在帶負載上電和獨立上電兩種加電方式，則還需測量設備空載時的浪涌電流；（7）抓取浪涌電流波形，得到浪涌電流最大值作為浪涌電流的幅值；以浪涌持續時間超過設備最大額定電流的電流持續時間為浪涌電流寬度。

5 結語

星上單機防浪涌的技術方法很多，也各有優缺點，在實際應用中應結合型號具體情況，綜合考慮系統要求、選取最適合的方法來進行星上單機防浪涌設計。

參考文獻

[1]H. Liu， S. Li. Speed control for PMSM servo system using predictive functional control and extended state observer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（2）：1171-1183.