一種簡單可靠的機載功率驅動電路設計

范新明 陳亞玲 張宇坤 郭建奇

摘要：飛機機電系統中存在大量的功率繼電器和接觸器，機載計算機驅動這些負載需要功率控制裝置和過流保護裝置。傳統的驅動和保護電路設計，使用機載斷路器或小型繼電器加熔斷絲實現。斷路器和繼電器本身存在機械動作次數有限，響應速度較慢，平均壽命較低的缺點。近些年出現的固態功率控制器，通過反延時保護算法，實現了過流保護的快速控制。但固態功率控制器需軟件實現反時限保護算法，硬件電路實現較復雜，降低了產品的可靠性。針對此問題，該文基于電流控制器芯片，采用MOS管實現功率驅動和過流保護，該電路結構簡單，可靠性高，過流保護時間可調。經試驗驗證，該電路能夠很好地實現功率驅動和過流保護，具有重要的應用價值。

關鍵詞：功率驅動;過流保護;結構簡單;可靠性高

中圖分類號：TH134? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0230-02

Abstract： There are a large number of power relays and contactors in airborne electromechanical system， airborne computers drive the loads need power control devices and overcurrent protection devices. The traditional methods use circuit breakers or small relays with fuse. Both circuit breakers and relays have limited action times， slow response speed and short service life. The Solid-State Power Controller （SSPC） realizes fast overcurrent protection with the inverse time algorithm. However， the inverse time algorithm needs software and complicated hardware circuits， which decreases products reliability. In order to solve this problem， this paper adopts MOS-FET to realize power drive and overcurrent protection based on current controller chip. This scheme has simple circuit structure， high reliability and configurable overcurrent protection time. The experiments show that designing circuit can realize the power driver and overcurrent protection and it has important application value.

Key words： power driver; overcurrent protection; simple Structure; high reliability

機載機電系統中存在大量的功率繼電器、接觸器和活門等功率裝置，機載計算機驅動這些繼電器和接觸器需要功率控制裝置和過流保護裝置[1-2]。傳統驅動和保護電路，使用機載斷路器或小型繼電器加熔斷絲實現，基本可以滿足驅動和保護功能。但是這種實現方式的保護動作時間一般大于1ms，如果電路中的瞬態電流過大，將損壞機載計算機本身和后級控制電路。近些年，隨著固態功率控制器的出現，通過反時限保護算法，實現了將過流保護動作時間縮短到微秒級別，但是這種固態功率控制器需軟件實現反時限保護算法，硬件電路實現較復雜，降低了產品的可靠性[3-5]。本文針對以上問題，基于電流控制器芯片和MOS管，實現了功率驅動和過流保護功能。該電路結構簡單，占用板面積小，過流保護時間可調，在實現功率驅動的同時，能夠很好地保護自身電路，可靠性和安全性高。

1 電路結構

驅動電路結構見圖1。

控制信號由FPGA輸出，經總線隔離器后輸入到電流控制器芯片，當控制信號為高時，控制MOS管導通，輸出28V。同時，通過采樣電阻R4檢測通路上的電流，當通路上的電流或者施加在MOS管上的功率超過預先設定的值時，過流保護功能開啟，待保護時間達到后，徹底關斷MOS管，關斷輸出。此外，通過對IMON信號、#PG信號和#FLT信號的采集，可以實現對通路電流、電源狀態以及跳閘狀態的采集。

2 電流控制器工作原理

本文基于電流控制器實現功率驅動和過流保護，該芯片具有14個引腳，采用電荷泵利用N-MOS實現高開輸出，它是一種恒功率控制芯片，具有功率保護點和電流保護點兩個保護點，其功率點、電流點和保護時間都可以進行預先配置。電流點用來實現在設定電流處實現保護關斷，當檢測到通路上的電流大于保護電流時，將電流維持在電流保護點對保護時間設定處的電容進行充電，電容兩端電壓充到4V時，將輸出關斷。電容的充電時間即為過流保護時間。功率點用來保護N-MOS器件不被燒壞，當檢測到N-MOS的功耗大于設定的功率時，將功率限制在設定的功率點。電流控制器芯片檢測通路上的電流，根據電流控制MOS管GS之間的壓差，實時動態的在調整MOS管的導通阻抗，從而控制通路電流處于一定值。當正常導通時，GS之間壓差比較大，MOS管工作在飽和區，其導通電阻很小， MOS管DS之間壓差很小，其本身承受的功率也很小。當保護時，GS之間壓差比較小，其處于似通非通狀態，MOS管工作在可變電阻區，MOS管導通電阻比較大，通過MOS管電阻的變化來限制通路電流。由于其處于可變電阻區，在保護時MOS管本身承受的功率比較大。當MOS管本身承受的功率比較小時，電流超過電流點時，會觸發保護，電流控制器芯片將通路電流限制在電流點，待保護時間滿足后，關斷輸出。當MOS管本身承受的功率比較大時，超過了預先設置的功率點，此時電流控制器芯片將MOS管的功率限制在功率點，可以保護MOS管不被燒壞。

3 參數設計

某飛機傳感器配電接口要求如下：正常配電時輸出電壓為28V，驅動電流不小于0.1A，當通路電流超過額定電流9倍時，接口應自鎖短路保護，保護時間為200±50μs。

針對該需求，采用電流控制器芯片，設計如下：

1）電流點設置：驅動電流不小于0.1A，9倍過流即0.9A時需要進行過流保護，即電流點為0.9A，則

根據標稱電阻值，選取一個30 mΩ和一個23mΩ的電阻串聯，則實際電流點0.943A，可以滿足實際使用需求。

2）保護時間設置：保護時間的設置跟引腳4端外接電容有關，參考器件手冊，當外接電容為1.25nF時，保護時間為200us。

3）功率點設置：功率點的設置是為了保護MOS管，設置的功率點應該保證MOS管不被燒壞，應該在MOS管的SOA曲線之內。查MOS管的SOA曲線，選取功率點功率為20W。功率點的設置取決于3腳PROG端的電壓，其公式如下：

則選取R2和R2分別為10KΩ和10KΩ，則

則實際功率為18.86W。電流控制器芯片屬于恒功率控制器件，控制MOS管承受的功率，其計算方式如下：

在保護過程中，當VDS比較小時，通路電流會比較大，當VDS比較大時，通路電流會比較小。保護過程中，通路電流最大為電流點電流。過流保護時，MOS管VDS壓降小，因此將電流限制在0.943A。當外部負載短路接地時，此時MOS管VDS壓降為28V，會觸發功率點保護，此時將電流限制在18.86/28=0.637A。不管過流保護還是短路保護，當保護時間滿足后，徹底關斷輸出。

4 實驗結果

針對設計的電路，采用電子負載進行試驗，其實驗連接圖如下圖所示。上電后，先讓輸出通道輸出高，暫不接通電子負載。將電子負載調整為恒流模式，將通路電流設為1A，然后再將電子負載接通，在接通的瞬間，電路進行了保護，其實驗結果如下圖所示。

黃色線條為4引腳TIMER端電壓，藍色線條為輸出電壓，粉色線條代表通路電流。由上圖可知，上電后通道首先輸出，輸出端電壓為28V，當電子負載接通的瞬間，檢測到通路電流大于電流點電流，即啟動了保護。在保護的過程中，給TIMER端電容充電，當TIMER端電壓達到4V時，關斷輸出。在整個保護過程中，通路電流一直維持在電流點，實測約為0.925A，保護時間約為220us。實測保護電流和保護時間與設計指標基本一致，可以滿足實際使用需求。

上圖為過流保護圖片，上電待通道輸出后，直接將輸出接地，即可觸發短路保護，其圖片與上圖基本一致，區別是在保護過程中的電流大小。短路保護時觸發功率點保護，經實際測試，在保護過程中，將電流限制在0.62A，保護時間與過流保護時間一致。

5 總結

本文設計的功率驅動電路，結構簡單，占板面積小，驅動能力滿足要求，能夠實現過流保護和短路保護。經實際測試，各項指標可以滿足系統實際使用需求，具有一定的工程應用價值，可以進行一定的推廣應用。

參考文獻：

[1] 章鶴，艾鐵柱.基于CPLD的功率輸出自測試及保護技術研究[J].設計與研發，2017，18（7）.

[2] 艾鐵柱，王寅.具有短路保護功能的機載功率控制裝置設計[J].電子科技， 2013，26（7）.

[3] 葉雪榮，鄭志洪等.固態功率控制器國內外發展現狀[J].電器與能效管理技術，2015，2（6）.

[4] 潘江江，李海偉等.基于SSPC模塊化小型智能配電器設計研究[J].電子測量技術，2016，39（10）.

[5] 周星星，孫丹丹.固態功率控制器在飛機電氣改裝中的應用[J].設備管理與改造，2017，30（3）.

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