商業微納衛星電源故障保護及恢復設計

崔宸赫， 宋詩斌， 王家豪， 黃鶴松

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590)

近年來，由于市場需求的迅速增長，商業航天得到了快速發展[1-2]。為降低成本，商用航天設備大量使用低等級器件，尤其是作為近幾年發展熱點的微納衛星更為明顯。微納衛星具有造價成本低、設計壽命短、運行軌道低等特殊性[3-4]，因此，在微納衛星設計中大量使用工業級、商業級等低等級器件，致使其應對空間復雜輻照環境的能力較弱。尤其是由高能粒子照射引起的單粒子閂鎖效應會影響衛星電路的正常狀態，嚴重時可能致使設備出現不可逆損毀，極大地影響了小衛星的可靠性和安全性[5-6]，另外，因芯片故障等造成的外部短路也會對微納衛星的電源系統造成損傷，這對微納衛星的電源管理提出了新的挑戰。

單粒子閂鎖故障是由于空間中高能粒子照射引起集成芯片內部產生寄生晶體管，導致芯片內部電源與地之間產生較大閂鎖電流，影響芯片工作甚至引起芯片局部過熱損毀的現象[7-10]，是造成星上電源系統過流的主要原因；另外器件損壞、線纜老化等引起的外部短路也會造成過流。現有的防護方法有電阻限流方法、恒流保護方法及電流檢測方法等。電阻限流方法是在電路中串接限流電阻，以此達到限流的目的[6]，限流電阻會對電路狀態產生影響。另外，該方式僅對電流進行限制，并未真正切斷電流。恒流保護方法是當發生故障時，利用芯片的恒流保護功能使輸出的電流恒定保持在低于閾值電流的水平，防止電路燒毀[11]。電流采樣方法是對電路電流的采樣監控，在發生電源系統過流故障時自動切斷保護，并能自動重新接通電路。電流采樣方法具有電路切斷徹底、自動恢復電路狀態、對電路影響小等優點[12-14]。

為提高低成本微納衛星電源管理能力，提高電源系統的可靠性和安全性，提出了一種基于電流采樣的微納衛星電源防護及自恢復設計。本設計利用常用器件設計了一種結構簡易、易實現的電源系統保護拓撲，該拓撲能夠在發生過流故障時對電源系統實施保護，同時，能夠在故障消除后自主恢復電路。提出的電源系統防護及自恢復設計在滿足故障保護及恢復的基礎上，具有電路拓撲簡單，功耗低且對原電路影響小，成本低等優勢，能夠滿足小衛星對低成本低功耗的要求。

1 電源防護及自恢復設計

1.1 基本原理

以某星上設備為例對電源系統防護及自恢復設計的原理進行闡述。圖1 給出了設備供電部分的框圖及防護設計基本拓撲。如圖所示，母線電壓為V，母線電壓經熔斷器、浪涌抑制電路及一次電源模塊后轉換為二次電源VCC。其中，Inhibit 端是一次電源模塊的控制端，該信號有效時一次電源模塊停止工作。而防護及自恢復設計通過采樣電阻接入設備電路，采樣電阻值一般較小，幾乎不影響原電路狀態。電源防護及自恢復設計通過采樣電阻采集設備電流，對電路電流進行監控，并通過對一次電源模塊的Inhibit 端的控制實現故障保護及電路恢復。

圖1 系統結構框圖

防護及自恢復設計的工作原理可以描述為：

(1)利用串聯于電路中的采樣電阻對電流進行采樣及監控，當檢測到電流小于預先設置的閾值電流時，防護電路設置DC/DC 的Inhibit 端為無效狀態，電路無動作；

(2)當系統發生故障時，設備電流異常增大，采樣電流超過預先設定的閾值電流，防護及自恢復控制電路使Inhibit 端輸出有效，Inhibit 端有效時，電源模塊停止工作，關斷負載電路供電，防止故障電流損壞電路。

同時，防護及自恢復電路內部的定時模塊進行計時，待預定設置的定時時間Δt 后，防護及自恢復電路設置Inihibit 為失效，重新啟動一次電源模塊。若系統故障狀態仍未退出，則防護及自恢復電路再次工作，繼續對電路進行保護；若故障已消失，則防護及自恢復電路成功將電路恢復到正常工作狀態。

1.2 詳細設計

圖2 給出了電源防護及自恢復設計的功能框圖。由圖中可知，防護及自恢復設計包括供電模塊、控制模塊、定時模塊、電流采樣模塊。

圖2 防護及自恢復電路功能框圖

供電模塊對整個防護及自恢復模塊供電；電流采樣模塊通過采樣電阻對電路電流進行采樣及監控；控制電路通過對電流大小的判斷對電路的一次電源模塊進行控制；定時模塊用于防護電路啟動保護后進行計時，在計時結束后通過控制模塊對一次電源模塊進行重啟，嘗試重新恢復電路工作。

圖3 給出了電源防護及自恢復電路的詳細設計方案。電流采集芯片通過采樣電阻R0采集主電路電流I，通過電流采樣芯片轉換輸出電流Iout，Iout與I 之間具有固定的比例關系，即Iout/I=c，其中，c 為常數。令Ith表示設定的故障閾值電流。

綜上所述,臨床進行血常規檢驗時不能夠單純的依靠血液分析設備來完成檢驗,檢測的時候會有誤差,獲得的結論也不是十分的有效。為血液異常患者提供了全血細胞檢測,根據血涂片檢測和分析方式來進行再次的檢測,避免結果產生誤差,給患者提供比較精確的結果,防止患者的病情被延誤,讓患者無法獲得及時有效的治療。

圖3 防護及自恢復電路詳細設計

(1)當I ＜Ith時，Iout不能使三極管V2導通，從而使定時芯片的Trg 信號為高電平，定時芯片的輸出端Out 的輸出為低電平，通過三極管V1控制Inhibit 端無效，防護及自恢復電路無動作。

(2)當I ＞Ith時，Iout使三極管V2飽和導通，此時，定時芯片的Trg 端輸出為低電平，定時器被觸發并開始工作，定時器Out 端輸出為高電平，使三極管V1導通，Inhibit 端有效，切斷一次電源模塊對電路實施保護。同時，定時芯片觸發后開始計時，到達預先設定的計時時間后，定時器Out 端重新變為低電平，令Inhibit 端無效，電路重新接通。若此時故障仍未解除，則采集到的電流仍大于Ith，防護及自恢復電路再次工作，電路仍處于保護狀態，直到故障解除。

1.3 理論分析

電源防護及自恢復電路是通過對主電路電流的檢測實現故障檢測和保護，具體是通過電流采集芯片控制三極管V2的截止和導通實現的。因此，在防護及自恢復電路不工作時要保證V2可靠地截止；防護和自恢復電路起保護作用的條件是，V2需要處于飽和導通狀態。令Inorm表示主電路正常工作時的電流，Ith為故障閾值電流。

當主電路電流I=Inorm時，需滿足：

式中：UB為三極管V2的基極導通電壓；Rout為：

將Iout= cInorm帶入式(1)，可以得到：

當主電路電流I≥Ith時，需V2處于飽和導通狀態才能使防護及自恢復電路處于故障保護狀態。此時，V2的基極電流可以計算為：

要使V2處于深度飽和狀態，則：

即：

式中：β 為三極管V2的放大倍數；Uce_sat為三極管V2的C 與E腳之間的飽和導通壓降。同時，V2的基極電壓需要滿足：

另外，設計中在電阻R6的兩端并聯了一個電容，使電流采集模塊檢測到異常增大的電流后，延遲一定時間(τ=R6C0)后防護及自恢復電路才起作用。這樣能夠在主電路出現上電浪涌電流尖峰或因設備特殊功能導致的寬度較窄的電流尖峰時，防護及自恢復電路不會誤動作而錯誤地關斷電路，通過調整R、C 參數，可以調整延遲時間。

由以上分析可知，電流檢測芯片輸出端口與三極管V2之間的電阻網絡是影響防護及自恢復電路能否正常工作的重要因素，其參數選擇的正確與否決定了防護及自恢復電路能否準確地識別電源系統故障并實施保護。

2 實驗及分析

為驗證設計的電源防護及自恢復電路的有效性，以某星上設備為實驗設備進行了實測實驗，增加了電源防護及自恢復電路，并且旁路了一路模擬負載通過繼電器開關與設備相連，模擬星上設備發生過流故障時負載電流突然增大的情況。實驗電路結構圖如圖4 所示。

圖4 實驗電路架構

2.1 故障防護測試

在設備處于正常工作狀態后，閉合繼電器開關K，將模擬負載接入電路中，模擬系統出現故障的情況。利用示波器觀測Inhibit 端及一次電源模塊端5 V 輸出的電壓波形，如圖5 所示。由圖5(a)可以看出，當電路發生故障時，Inhibit 端變為低電平，使一次電源模塊斷電進行電路保護；斷電保護后，經定時器延時一段時間Δt[即圖5(a)中兩個脈沖間的時間間隔]，Inhibit 端變為高電平，嘗試恢復電路，由于實驗中模擬負載一直未斷開，防護及自恢復電路重新工作，將Inhibit 端電平拉為低電平，使電路斷電。由圖5(b)的5 端電壓波形也可以看出，由于故障一直未解除，5 V 電壓剛剛建立，防護及自恢復電路就開始工作，切斷電路。

圖5 電源防護電路工作時波形

2.2 電源自恢復測試

在本實驗中，首先令星上設備正常工作，將模擬負載接入到電路中一段時間后斷開，模擬故障發生一段時間后消失的情況，并利用示波器電流鉗檢測28 V 端電流(即流經采樣電阻的電流)的變化情況，如圖6 所示。從圖中可知，當發生過流故障時，防護及自恢復電路能夠檢測到異常電流變化并對電路進行斷電，有效保護電路不受損壞，在故障未消除之前，防護及自恢復電路周期性地嘗試重啟電路；而當故障消失時，防護及自恢復電路使設備正常加電，恢復電路正常的工作狀態。

圖6 電源防護及自恢復時電流波形

2.3 防浪涌誤動作測試

在本設計中，考慮到了浪涌電流可能導致誤保護的情況，圖7 給出了實驗中星上設備的浪涌電流波形。在圖3 中，三極管V2的基極端設置了RC 網絡實現延遲保護，即將RC 網絡產生的時間延遲τ=R6C0設置為大于浪涌電流的寬度，則當電路中出現寬度小于τ 的浪涌電流時，防護及自恢復電路不會進入保護狀態，從而防止因浪涌電流造成防護及自恢復電路的誤動作。

圖7 浪涌電流波形

3 結論

本文提出了一種低成本微納衛星電源系統防護及自恢復設計，實現了星上設備在發生過流故障時的保護及狀態自主恢復，并通過實測實驗驗證了防護及自恢復設計的有效性。微納衛星電源系統防護及自恢復設計提高了微納衛星電源系統的可靠性和安全性，為微納衛星電源系統智能化自主化管理提供了參考。