一种机载设备冲击电流抑制的方法

刘晓贞

北京青云航空仪表有限公司，北京，101300

0 引言

机载设备为了满足飞机的电磁兼容要求和提高供电电源的品质，在电源输入端一般会设置滤波网络对电源进行滤波。另外一般机载设备采用DC/DC变换器将机载电源转换成自身需要的电源，为了保证DC/DC变换器输出的稳定性，会在DC/DC变换器输入端接入大容量滤波电容，输出端接入大量电容降低DC/DC输出电压的纹波，保证输出电源品质。在上电瞬间，由于电容的特性，电容充电会产生极大的电流，这个电流通常可达到十几倍设备额定电流。通常称呼这个加电瞬间产生的电流为输入冲击电流[1]。GJB-181B-2012中关于冲击电流有明确的要求，冲击电流不能超过额定电流的5倍，因为过高的冲击电流会导致设备中对电流有要求的器件失效造成设备故障，或由于瞬时电流过大导致供电系统电压不稳，对系统和系统中其他设备造成影响。

本文对输入冲击电流产生的原因进行了分析，在常用的解决方法基础上，提出了一种新的工程设计实现方法。

1 直流电源启动冲击电流产生原因

一般机载设备采用DC/DC变换器将机载电源转换成自身需要的电源，典型的机载设备供电模型如图1所示。为了抑制DC/DC变换器开关频率的传导发射干扰，在DC/DC变换器前增加电源滤波网络，其中包含大量的差模电容；为了保证DC/DC变换器输出的稳定性，会在输入端接入大滤波电容如C1，滤除差模干扰，输出端接入大量电容降低DC/DC本身纹波如C2，保证输出电源品质。

产生冲击电流的原因就是在加电的瞬间，输入电源会对所有的电容进行充电，电容近似于短路状态，就会导致冲击电流产生。电流大小取决于充电回路的电容器等效串联电阻（ESR）和电容容值，电容越大，等效串联电阻越小，冲击电流越大。

图2为产品电源加电瞬间冲击电流典型波形，整个过程包括两个尖峰，第一个是EMC滤波器电容和DCDC电源模块的输入电容充电造成的浪涌电流，其对电容充电直至电容电压与输入电压相等；第二个尖峰电流是DC/DC模块启动造成，电源模块在启动过程中由于后端的容性负载会产生一个过冲，造成第二个电流尖峰[2]。第二个电流尖峰可以通过DCDC模块的软启动功能，将冲击电流幅值降低，但无法抑制DC/DC输入端电容引起的冲击电流。

第一个冲击电流尖峰的峰值和形状取决于电源的输入特性，即电源的输入阻抗。冲击电流I=C*dU/dt，电容C是滤波器及DCDC变换器输入端的电容和。只有当电容输入电压斜率有很大的突变（冲击电流测试时，电容两端的电压在20us内从0变到28V），才会带来较大的输入浪涌电流问题[3]。

2 基于MOSFET器件进行冲击电流抑制的设计

2.1 原理

针对上文中描述的DC/DC输入端电容引起的冲击电流，通过MOSFET作为核心器件的电路进行抑制。核心设计思想是利用MOSFET器件的特性，通过将输入电容电压变化斜率变缓，增长充电时间的方法对冲击电流进行抑制。

工作原理如下：电源启动，由R1、R 2、V4、C2 组成的RC延时电路刚开始工作，此时NMOSFET 管V4 漏源极截止，电源通过R1 供电母线给电容C2充电； 当电阻R1和电容C2组成的延时电路使N沟道MOSFET管V1的G极电压达到开启电压时，MOSFET管V1开启，并工作在线性区。漏极电流IDS与栅极电压UGS成比例关系。在场效应管逐渐导通的过程中，后端电路中的电容被逐渐充电至稳定，冲击电流得到抑制。通过调节R1、R2、C1的值，可以得到较好的浪涌电流抑制效果[4]。

2.2 元器件选型

MOSFET: 由于MOSFET直接安装于电源线上（或回线上），因此Vds保要大于电源线上最大出现的电压，Ids要大于设备最大消耗电流，并且按照标准进行降额。另外Vgs小于规定值，需针对不同的供电情况进行考虑。

R1、R2、V4 组成分压保护电路：其中R1、R2 为分压电阻，使V4 的Vgs门限电压在正常范围内，V4为稳压二极管，在电源浪涌电压的情况下保证栅极电压不超过V4 的Vgs，从而达到保护作用。

R1、C2组成延时电路：此电路是整个电路的核心，调整C2、R1 的值来改变电容的充电速度，从而达到控制启动浪涌电流的目的。电容C2两端的电压，也是MOSFET的开启电压。

具体到电路设计，需要充分考虑设备的供电情况、用电情况，以及对冲击电流的要求，对充电电容、MOSFET的功率电流、电阻阻值进行充分考虑计算。因为GJB181B-2012对于冲击电流不但有幅值要求，还有100ms回到额定电流的要求。整个电路设计简单，器件也比较少，但是由于一般要选择功率型MOSFET，导致器件体积较大，而且需要精确计算才能确定各个器件的选型[5]。

2.3 集成设计

本文采用了一种集成器件对冲击电流进行抑制，XC388过压过流保护开关。该器件集成了N-MOSFET，不但可以实现过压过流保护等功能，并且还可以通过外接电容调节输出电压的启动时间，可有效抑制上电时的输入冲击电流。典型电路图如图4所示。

通过调节电容C2的容值可以调节软启动时间，典型电容和启动时间关系如表1所示。

表1 启动时间典型电容值参数

该器件工作范围最高可达60V，适用于机载直流28V供电系统，集成的N-MOSFET导通阻抗小于40mΩ，可有效降低损耗；并且该器件尺寸为3mm×3mm，非常小，外围电路简单，也可以灵活应用于各种需要电源保护的场合，对于产品的小型化、集成化有非常大的使用价值。

2.4 试验验证

图5为某机载电子设备未加冲击电流抑制措施时的启动冲击电流，设备额定电流为0.25A。从图中可以看到，冲击电流为约10A，为正常工作电流的40倍。图6为增加了XC388保护开关并设置软启动电容为47nF时冲击电流被抑制后的电流图，可以看出启动输入冲击电流被抑制到了0.54A，为正常工作电流的3倍以内，满足GJB-181B中冲击电流小于正常工作电流5倍的要求。

3 结语

本文对机载电子设备上电启动冲击电流产生的原因进行了分析，对解决冲击电流的电路和选型进行了分析，并提出了一种基于XC388过流过压保护开关来抑制冲击电流的解决方法。该方法只需调整软启动电容来控制输入电压上升时间，便可以达到不同的电流抑制效果，不必经过复杂计算和过多的器件选型考虑就可以实现对冲击电流的抑制。该方法外围电路简单，并可实现过压和过流保护等功能，可广泛适用于机载28V电源供电设备，对于机载设备解决供电兼容性要求有非常大的帮助。