一種衛星用浪涌電流抑制電路的設計與分析

王益軍

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

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一種衛星用浪涌電流抑制電路的設計與分析

王益軍

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

摘要：為防止容性設備產生的浪涌電流對整星供電系統的危害，提出一種衛星上常用的浪涌電流抑制電路，并對該電路的設計進行詳細說明，最后，通過具體案例說明浪涌電流抑制電路的重要性和有效性。

關鍵詞：衛星；浪涌電流；抑制電路

0 引言

為防止浪涌電流對星上設備的損壞，衛星建造規范中對浪涌電流有著嚴格的規定：設備啟動電流上升斜率不大于105A/s，在持續時間不大于5 ms（某些型號為3 ms）內，限制到其相應額定電流的1.5倍或2 A（取其大者）以內；在10μs內，瞬時啟動電流不能超過穩態輸入電流均值的10倍[1]。

本文通過對星上常用的一種浪涌電流抑制電路的分析來說明其重要性，并通過具體案例加以論證。

1 常用浪涌電流抑制措施

目前，常用浪涌電流抑制措施主要為采用浪涌保護器件或浪涌電流抑制電路。

浪涌保護器件主要有氣體放電管、壓敏電阻和瞬態電壓抑制二極管。盡管它們工作原理不同，卻有著相似的伏安特性，即當兩端電壓低于規定電壓，呈高阻狀態，通過電流很小；當兩端電壓高于規定電壓，通過電流呈指數規律增加，而電壓則被限制在一定范圍，幾乎不隨電流變化而變化[2-7]。

浪涌電流抑制電路專門用于抑制電路啟動過程中產生的浪涌電流，通常是在供電回路中串聯電阻，該電阻可被其他元件旁路；通過控制電路中旁路元件的工作狀態，可抑制電路啟動過程中的浪涌電流。

2 星上典型浪涌電流抑制電路

星上每臺設備有著各自不同的負載特性（阻性、容性、感性或兼而有之），在單機設計時，需要綜合考慮負載特性對浪涌電流產生的影響。

2.1浪涌電流產生的機理

假設星上容性設備供電回路等效輸入電阻為R，等效輸入電容為C， K為星上配電單元中繼電器觸點，S為供電電源（星上容性設備供電等效電路如圖1所示）。

圖1　星上設備等效供電示意圖Fig. 1 The equivalent power supply circuit of on-board equipment

根據KVL（基爾霍夫電壓定律），UR+UC=US，將UR=Ri，i=C(dUC/dt)代入即得到電路微分方程：RC(dUC/dt)+UC=US。假設RC電路中電容初始狀態不帶電荷，即UC(0-)=UC(0+)=0，則解電路微分方程得：UC=US[1?exp(-t/τ)]；i=USexp(-t/τ)/R。

從上述計算結果可知，在設備加電瞬間產生的浪涌電流將按指數規律下降，其大小取決于供電回路等效電阻R，R越小瞬間浪涌電流越大；浪涌電流持續時間取決于電路的時間常數τ，τ越大浪涌電流持續時間越長。

2.2浪涌電流抑制電路設計

目前，星上廣泛采用了如圖2所示的浪涌電流抑制電路。在供電回路中增加浪涌電流抑制電路，可以有效地抑制設備開機瞬間產生的浪涌電流。

圖2　星上常用的浪涌電流抑制電路及其等效電路Fig. 2 The circuit commonly used on satellite of suppressing inrush current and its equivalent circuit diagram

圖2中，P-MOS管柵極電壓VGS受等效電阻R35和等效電容C14組成的RC電路控制，當配電單元中繼電器K剛閉合時，由于VGS的電壓值大于P-MOS管的開啟電壓閾值VGS(th)（絕對值小于開啟電壓絕對值），P-MOS管處于關斷狀態，供電電流通過回路中串聯電阻R6給串聯等效電容C56預充電，C56電壓將緩慢預沖到一定值；隨著C14充電過程的進行，VGS由0逐步減小（絕對值逐漸增大），當VGS小于VGS(th)時，P-MOS管開始導通，將回路中電阻R6近似短路（P-MOS管導通電阻較R6近乎可以忽略，這樣可以避免R6工作時回路中產生壓降及功率損耗），供電電流主要通過P-MOS管給設備供電。由于P-MOS是電壓型控制器件，根據其轉移特性曲線可知，其流過的電流受VGS控制，所以此時等效電容C56的充電電流是逐漸變化的，不存在瞬間浪涌電流。

這種工作狀態下，從前端繼電器閉合到設備正常工作的整個過程中，供電電流不會產生很大的尖峰，從而保證供電系統和繼電器安全可靠地工作。

R2、R3、R4、R5的選取需滿足-{[R2R4(R3+R5)]/ [R2R4(R3+R5)+R3R5(R2+R4)]}Ui＜VGS(th)。電路中電阻采用兩串兩并形式是為了提高電路可靠性，可取R2=R4；R3=R5，則電路簡化為-[R2/(R2+R3)]Ui＜VGS(th)。為了減小浪涌抑制電路自身功率損耗，建議R1、R2、R3、R4均采用K級別電阻。因柵源之間絕緣層很薄，為防止柵源擊穿，需確保|VGS(th)| ＜20V。

同理，VGS間電容兩串兩并亦是為了提高電路可靠性，設計時可取C1=C2=C3=C4，則 VGS(th)= Ui[exp(-t1/τ1)?1]，其中：τ1=R35C14；t1為P-MOS管開啟時間。當P-MOS管開啟時，C56上電壓值需滿足Uo＞Ui[1?exp(-t1/τ2)]，其中：τ2=R6C56；Uo為后續電路的啟動電壓。

而R6的選擇需和C56一起考慮，需要確保t1時間內電容C56上的預充電壓UC接近Ui，但不足以使后續電路啟動（如果后續電路在t1時間內啟動，可能會因電容C56存儲能量不足而造成后續電路工作狀態異常）。

3 典型案例分析

3.1現象

某型號衛星在初樣研制階段整星補充電測試過程中，當相機成像結束，數傳壓縮模塊按試驗流程關機時，發現數傳壓縮模塊A對關機指令未響應。

在排除指令接收及供電線路異常的情況下，采用機械方法開殼后用顯微鏡檢查發現，繼電器觸點的10腳和13腳上存在燒蝕現象（如圖3所示）。經對該繼電器進行失效分析，發現其觸點經受浪涌電流反復沖擊，大電流產生的熱量使觸點達到熔融狀態；隨著觸點通斷次數增加，觸點表面凹凸形狀增大，最終導致觸點粘連，繼電器失效。

圖3　繼電器10腳和13腳觸片燒蝕照片Fig. 3 The relay contact 10 and 13

經電路分析，數傳綜合處理器壓縮模塊負載特性為容性負載，開機瞬間電容的充電電流為i=Uexp(-t/τ)/R，其中：U為RC回路輸入電壓；R為RC回路電阻；τ為RC回路時間常數。由于R約等于繼電器觸點接觸電阻和供電回路線路電阻之和（趨向于m?級），故在繼電器觸點閉合瞬間i非常大，導致繼電器觸點承受浪涌電流沖擊，發生故障。

經對數傳壓縮模塊進行浪涌電流專項測試，數傳綜合處理器壓縮模塊穩態工作電流為0.4 A，浪涌電流高達28.2 A，浪涌脈寬114μs，浪涌電流波形如圖4所示。

圖4　數傳壓縮模塊開機浪涌波形Fig. 4 The surge waveform of digital compression module

3.2改進措施

為提高電路的安全性、可靠性，經過論證和借鑒其他型號的成熟技術，在數傳壓縮模塊供電回路中增加了浪涌電流抑制電路，如圖5所示。通過產品實際測試，在啟動過程中增加浪涌電流抑制電路的壓縮模塊供電電路，開機浪涌電流降至1.5 A左右。當該數傳壓縮模塊參加整星電測試時，各項功能均正常，進一步驗證了增加浪涌電流抑制電路措施的有效性。

圖5　數傳壓縮模塊中增加浪涌電流抑制電路Fig. 5 The inrush current suppression circuit added in the digital compression module

4 結束語

為防止容性設備產生的浪涌電流對整星供電系統的危害，提高供電電路的安全性、可靠性，各設備在驗收測試時需進行設備開機浪涌電流測試，對于浪涌電流不滿足衛星建造規范要求的設備，需采取浪涌電流抑制措施。本文針對目前星上常用浪涌電流抑制電路展開分析，并通過具體案例說明浪涌電流抑制電路的重要性和有效性，以期引起人們對這方面更多關注。

參考文獻（References）

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[7] Brightking Corp. Transient voltage suppressors[G], 2009

（編輯：馮 妍）

Design and analysis of a circuit for suppressing inrush current for satellite

Wang Yijun
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China)

Abstract:To avoid the hazard of inrush current (generated from capacitive load) to the power supply system of the satellite, a circuit for suppressing the inrush current is proposed with details of the circuit design. A practical case is then analysed to explain the importance and the validity of the circuit.

Key words:satellite; inrush current; suppression circuit

作者簡介：王益軍（1982—），男，碩士學位，型號供配電系統副主任設計師。E-mail: shanghai59188@163.com。

收稿日期：2015-06-27；修回日期：2016-01-21

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.015

中圖分類號：TM464

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0086-03