一種針對GJB181過壓浪涌要求的保護電路設計

謝記華，王偉曉，范景林

（洛陽電光設備研究所 河南 洛陽 471009）

隨著質量管理理念的不斷深入，各行業對標準的符合要求也越來越高，產品出廠前必須通過各項行業標準試驗、國軍標相關試驗等。GJB181-86（被GJB181A-2003替代，但因GJB181-86要求比GJB181A要求更嚴格，現在很多單位仍在按GJB181進行檢測，本文提到的GJB181為GJB181-86）《飛機供電特性及對用電設備的要求》中專門對機載設備的供電種類，供電特性及對飛機上的用電設備提出了專項要求。功率MOSFET及控制電路所組成的保護電路被廣泛應用于該要求中，該保護電路可以在電子設備輸入電壓過高時，把輸入電壓箝位到一個安全的輸入范圍內。文中利用MOSFET的這一特性，對滿足GJB181中輸入28.5 V直流的供電體制的過壓浪涌（80 V/50 ms）保護電路進行了設計、分析和驗證。并對滿足輸入115 VAC/400 Hz的過壓浪涌 （180 V/100 ms）的設計電路進行了介紹。

GJB181-86中要求過壓浪涌時設備不發生任何故障。但對于不同的機載設備，不發生任何故障的定義不同。例如對于一些設備，無故障視為不損壞，但對于一些要求比較高的設備，要求在過壓浪涌過程中必須正常工作（例如如軍用計算機），以防數據丟失。文中介紹一種可在過壓浪涌過程中保證用電設備正常工作的電路設計。

1 MOSFET的介紹

金屬氧化物半導體場效應管[1]（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor， MOSFET）。 它是由金屬、氧化物（SiO2或SiN）及半導體3種材料制成的器件。所謂功率MOSFET（Power MOSFET）是指它能輸出較大的工作電流（幾安到幾十安），用于功率輸出級的器件[2]。

MOSFET 共有 3 個腳，一般為 G、D、S，通過 G、S 間加控制信號時可以改變D、S間的導通和截止。它的柵極-源極間電阻很大，可達10GΩ以上[3]。功率MOSFET是一種多子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、熱穩定性優良、噪聲低、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區寬、無二次擊穿問題等顯著優點[4]。目前，功率MOSFET的指標達到耐壓600 V、電流70 A、工作頻率100 kHz的水平，在開關電源、辦公設備、中小功率電機調速中得到廣泛的應用，又因其集成化是工藝簡單，可以使功率變換裝置實現高效率和小型化。

2 GJB181過壓浪涌要求介紹

浪涌：由電源系統的自身調節及調節器的校正作用所引起的某一特性偏離受控穩態值的變化。

過壓浪涌要求：用電設備應經受5次過壓浪涌，每次過壓浪涌間隔的時間為1 min[5]。

過壓浪涌方法：首先使用電設備在正常穩態下供電，然后使正常用電設備輸入電壓增加到標準要求的電壓（80 V），最后輸入電壓恢復到正常穩態電壓。

過壓浪涌后設備不應發生任何故障。

3 電路設計

設計框圖如圖1所示。

圖1 設計框圖Fig.1 Schematic diagram of the design

電路原理介紹：該DC-DC轉換模塊輸入最高電壓為40 V DC，本設計中的箝位電路將U3設定為36 V左右。按照GJB181中B類供電設備要求，正常輸入范圍為25～30 V，當輸入電壓低于設定值U3時，MOS管V1處于導通狀態，電源正常工作。當輸入電壓高于設定值U3時，V1處于箝位狀態，此時N1輸入端電壓U2=U3-UG-S（處于箝位狀態時，UG-S電壓只有0.3 V左右），因U3設定在N1正常工作范圍內，所以此時電源可以正常工作。基于上述原理，當機載設備輸入過壓浪涌80 V/50 ms時，后端用電設備的輸入電壓被箝位在U2=U3-UG-S，因U3在設備的正常工作電壓范圍內，從而可以保證后端用電設備的正常工作。

主要參數選擇：

MOSFET 導通狀態時：

MOSFET實際最大耗散功率：

式中：RDS（on）——MOSFET導通電阻

電路試驗：

1）電源在正常工作條件下，MOSFET處于導通狀態時：

①試驗條件：輸入U1為額定28.5 VDC；輸出功率按10%額定功率、50%額定功率、額定功率3種情況進行測試；測試中I1由電流表測得，U2由萬用表測得，本設計中MOSFET導通電阻 RDS（on）為 60 mΩ。

②試驗結果：試驗結果如表1所示。

表1 正常工作時U2的電壓值Tab.1 The voltages of U2 in normal state

從表 1 中可以看出，U2=U1-（I1×RDS（on）），與公式 2 相符合。

2）當輸入有過壓浪涌，MOSFET處于箝位狀態時：

（在實驗室模擬浪涌情況，因模擬開關的時間誤差，每次浪涌的時間會有差別，該實驗中保證每次浪涌時間不低于 50 ms）：

①試驗1：測試輸入過壓浪涌時，輸出電壓的變化情況：

試驗條件：輸入為28.5V，輸出各路為額定負載。示波器通道1接輸出5 V，示波器通道2接輸入，過壓浪涌為80 V/53 ms。

試驗結果：測試波形如圖2所示。

圖2 過壓浪涌時U1、U o波形圖Fig.2 Waveforms of U1 and U o of overvoltage surge

從上圖中可以看出，當輸入過壓浪涌時，電源輸出5 V保持不變。此項試驗證明在輸入過壓浪涌狀態下，由于過壓浪涌保護電路的作用，電源輸出正常，電壓后端設備能正常工作。

②試驗2：測試輸入過壓浪涌時，U2的變化情況

試驗條件：輸入為28.5 VDC，輸出各路設定為額定負載。示波器通道1接DC-DC轉換器的輸入端，檢測U2，示波器通道2接電源的輸入端，過壓浪涌為80 V/60 ms。

試驗結果：測試波形如圖3所示。

圖3 U1、U2波形圖Fig.3 Waveforms of U1 and U2

從圖3中可以看出，當輸入過壓浪涌80 V/60 ms時，DC-DC轉換器輸入保持在設定值U3，為36 V，從而保證了DC-DC轉換器的正常工作。

4 設計擴展

4.1 如何提高產品可靠性

1）在該設計中，除選擇滿足要求的高可靠性的器件外，MOSFET的散熱是關鍵。在設計中，應保證MOSFET散熱良好，并固定牢靠。在本設計中采用MOSFET緊貼機殼的傳導散熱方式，并通過螺釘使MOSFET與印制板、機殼固定牢靠。

2）在設計時，應根據實際負載情況計算MOSFET的最大功耗（式3），并保證 P≤PD（PD為MOSFET能承受的最大功率）。

3）當單只MOSFET功率降額不滿足要求時，可以采用MOSFET直接并聯的方式增加該保護電路的使用功率[6]。

4.2 在其他輸入種類時的應用

當機載用電設備輸入電壓為115 VAC 400 Hz時，該電路輸入接在整流濾波電路之后，通過改變箝位電路中箝位電壓U3的設定，并選擇更高耐壓的MOSFET，可使該設計滿足交流供電設備180 VAC/100 ms浪涌時，設備正常工作的要求。

5 結 論

通過理論分析和試驗測試及在實際機載電源的應用中可以看出，此保護電路的設計完全可以滿足GJB181-86《飛機供電特性及對用電設備的要求》中的兩種不同供電體制下對過壓浪涌的要求，通用性強，通過設定不同的電壓檢測值U3及選用相應耐壓的MOSFET，可適用各種輸入的用電設備，大大提高了機載設備的可靠性，并保護了后端用電設備的安全。該設計電路已被廣泛應用在機載用電設備的保護前端。

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術[M].北京:科學出版社，2000.

[3]孫肖子，談文心.電子線路基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社，1996.

[4]張慶雙.555應用電路精選[M].北京:機械工業出版社，2010.

[5]王紅霞.GJB181-86飛機供電特性及對用電設備的要求[S].北京：國際科學技術工業委員會，1986.

[6]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社，1999.