机载产品电源的防护设计分析

刘国美，王 俊，刘卫华，李亚男

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.海南热带海洋学院，海南 三亚 572000)

0 引言

随着飞机型号的发展，新型号飞机的供电兼容性要求、指标更加严苛，对机载计算机供电兼容性的要求日益变高，高密度、高可靠的电源系统已成为机载计算机的关键部分，传统的防护方式已不能满足新型号飞机的要求，存在以下多个方面的问题。

1) 新型号飞机供电兼容性要求相对于GJB 181—86新增了防反接试验要求，若使用传统的二极管防反保护的方式，由于计算机的综合化程度提高，计算机功率增大，二级管损耗增大，电源效率低，变得不再被接受。

2) 新型号飞机供电兼容性要求相对于GJB 181—86新增了负载特性要求，对负载冲击电流的要求严苛，目前部分飞机型号要求冲击电流200ms内恢复到稳态电流，冲击电流最大值不超过稳态电流的5倍；部分飞机型号要求更为严苛，要求冲击电流100ms内恢复到稳态电流，冲电流最大值不超过稳态电流的5倍。

3) 以往电源设计中输出过压保护电路使用稳压管等的粗放型保护方式，容易受到器件温度、分立器件自身的一致性等问题的影响。

本文将对上述问题进行分析，并提出相应的解决方案。

1 设计分析

1.1 防反接保护

整机中一般配置2个电源模块，对于后端负载模块来说，每个电源模块各提供一个支路输出，实现其余度供电工作，一个电源模块的失效不会影响负载模块的正常工作，以提高整机工作可靠性。另外，一般情况下，负载模块为用电设备，自身不会产生高压，但是若整机内部发生绝缘强度失效等故障时，负载模块串接的其高电压就有可能串入其他供电支路，导致故障蔓延，所以在设计中需要增加防反接保护，在新型号飞机供电兼容性要求中也增加了防反接试验要求。

使用二极管串联在输入端，可达到防反接保护的目的，这种实现方式简单可靠，但是二极管压降一般都在0.7V以上，大电流的时候最高可达1V，这样供电支路上压降就非常明显，按照4A负载电流计算，仅二极管损耗就高达4W，在多路输出智能电源中，所有支路的二极管损耗将会增加产品发热量。可以用MOSFET来代替二极管，通过对MOSFET进行控制，使其表现出理想二极管的特性，高性能的MOSFET漏源极耐压VDS都在100V以上，且漏源极通态阻抗RDS(ON)典型值仅有2～3 mΩ，这样保证在4A负载电流下，防反电路中MOSFET的压降仅有12mV，功率损耗仅有48mW，仅为对应二极管功耗的1.21%，二极管与MOSFET功率损耗曲线见图1。

图1 二极管与MOSFET功率损耗曲线图

使用MOSFET来代替二极管，需要通过控制器电路来控制MOSFET的导通和关闭，当电流正向流通时打开MOSFET，电流经由MOSFET的沟道流通；而当电流反向流通时，控制电路关闭MOSFET，此时MOSFET的寄生体二极管就变成了天然的防反二极管[1]，防止故障蔓延。多路输出的智能电源也是同样工作原理，从而可以满足多路输出电源的余度供电，防反保护电路原理见图2。

图2 MOSFET型防反电路示意图

1.2 启动冲击电流抑制

在三代机中并未对冲击电流提出约束，实际中负载模块正常上电过程中存在很大的启动冲击电流，其主要原因是后级输入端的电容充电和后级电路的启动电流，尤其是对于电容充电电流，可以用如下公式来计算：

(1)

图3 抗过压、冲击电流的启动电路

当电源输入端Vi产生电压时，钳位电压电路生成电压Vc，并通过缓冲电路作用，改变了Vc电压建立斜率或时间，使场效应管的Q1处于饱和区[2]，呈现可变电阻特性，对电路中的电容进行RC充电，降低冲击电流，实现了冲击电流抑制功能。

1.3 过欠压保护

部分输出过压保护电路使用稳压管等的粗放型保护方式，容易受到器件温度、分立器件自身一致性等问题的影响，部分电源甚至未设置欠压保护电路。本文提出的过欠压保护电路如图4所示，R1、R2、R3与比较器V4，构成输出电压采样电路，V1为5V电压基准。当电源供电电压在正常范围内时，A点电压高于基准电压，B点电压低于基准电压，C点电压为低，V5截止，控制端保持原状态，电源正常输出；当输出电压高于正常范围时，A点电压高于基准电压，B点电压也高于基准电压，C点电压为高，V5导通，控制端将电源关断端子拉低，电源保护，关闭输出；当电源供电电压低于正常范围时，A点电压低于基准电压，B点电压也低于基准电压，C点电压为高，V5导通，控制端将电源关断端子拉低，电源保护，关闭输出。通过该控制方法可对电源的输出进行过欠压保护。

图4 过欠压保护电路

2 结束语

本文对机载产品电源的防护问题进行了分析，针对部分问题提出了解决办法，并在新型号产品的电源设计中得到了应用，可以显著抑制启动冲击电流，并具备余度供电和防反接能力，以及精确的过欠压保护能力，使产品具备极高的工作可靠性。