短波電臺瞬時斷電保護(hù)電路設(shè)計方法

張大磊　王濤　宋啟明

摘 要：本文依據(jù)GJB 181-1986和GJB 181A-2003中規(guī)定的飛機(jī)匯流條或電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)不大于50ms的供電變化電源特性要求，同時考慮機(jī)載電子設(shè)備電流浪涌抑制要求，詳細(xì)論述了短波電臺瞬時斷電保護(hù)電路的電路組成、工作原理及儲能電容選型方法。該方案考慮全面、切實(shí)有效，已在某型直升機(jī)短波電臺中得到應(yīng)用，并經(jīng)過電源特性試驗驗證，為同類機(jī)載電子設(shè)備瞬時斷電保護(hù)電路設(shè)計提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：短波電臺;瞬時斷電保護(hù);軟啟動

引言

電源特性是指機(jī)載電子設(shè)備應(yīng)與飛機(jī)供電系統(tǒng)的供電特性相兼容，隨著對機(jī)載電子設(shè)備電源特性要求的提升，機(jī)載電子設(shè)備電源特性均明確要求符合GJB 181-1986或GJB 181A-2003等標(biāo)準(zhǔn)供電特性要求。其中，飛機(jī)供電系統(tǒng)在匯流條或電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)會出現(xiàn)供電中斷，時間不大于50ms。因此，在短波電臺電源設(shè)計中，為防止在供電中斷期間產(chǎn)品出現(xiàn)斷電重啟導(dǎo)致實(shí)時工作參數(shù)丟失或通信鏈路中斷的問題，必須設(shè)計瞬時斷電保護(hù)電路。

1 電路組成

短波電臺額定輸入電壓一般為28V，通過DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)12V、5V等二次電源供給。短波電臺功能控制、參數(shù)存儲等功能電路均為5V供電，因此在飛機(jī)電源供電轉(zhuǎn)換瞬間保證DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路正常輸出，即可保證短波電臺在系統(tǒng)電源供電轉(zhuǎn)換出現(xiàn)供電中斷時不會出現(xiàn)斷電重啟或工作參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生改變的問題。因此通常在DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路輸入端增加儲能電容實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)功能。短波電臺斷電保護(hù)電路主要包括儲能電容、防倒灌二極管、限流電阻和軟啟動電路。

2 工作原理

儲能電容在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時供電中斷時為DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路提供能量供給，并在儲能電容正極與28V輸入端之間增加二極管，防止系統(tǒng)供電中斷后儲能電容放電時出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象。同時，為防止短波電臺上電瞬間儲能充電時電流過大導(dǎo)致防倒灌二極管損壞，可考慮在電容正極與DC/DC（5V）電源轉(zhuǎn)換電路輸入端之間增加二極管和限流電阻，短波電臺上電正常工作時通過電阻給儲能電容充電，系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時供電中斷時通過二極管放電給DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路提供能量，實(shí)現(xiàn)“慢充快放”。

軟啟動電路是為防止短波電臺上電瞬間儲能電容和后端電路濾波電容充電形成的沖擊電流過大而設(shè)計的限流電路，由P溝道增強(qiáng)型MOS管、穩(wěn)壓二極管、電阻和電容構(gòu)成，利用MOS管柵（G）源（S）電壓UGS控制MOS管導(dǎo)電溝道的開啟寬窄程度，達(dá)到控制漏（D）極電流的目的。在MOS管柵極源極之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓二極管可在輸入電壓出現(xiàn)較大脈沖時使得MOS管兩端柵源電壓有上限值，也就通過MOS管的漏源電流的值也同樣有上限值。短波電臺上電后，MOS管柵極源極之間接有電容，電容兩端電壓（也即是MOS管的柵源電壓UGS）不能突變，電壓是從零開始，小于MOS管的開啟電壓UGS（th）（P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓一般在2V～4V之間，UGS大于UGS（th）時MOS管導(dǎo)通），MOS管處于截止區(qū)，因此漏極和源極之間沒有導(dǎo)通。隨著電容逐漸充電，柵源電壓UGS逐漸升高靠近開啟電壓。當(dāng)UGS大于開啟電壓時，漏源兩端逐漸導(dǎo)通，漏極電流逐漸增大。隨著MOS管柵源電壓的逐漸升高，MOS管工作狀態(tài)從截止區(qū)到恒阻區(qū)再到飽和區(qū)。在此過程中，電路后端的負(fù)載電路中的電容被逐漸充電，沖擊電流得到抑制。

3 儲能電容選型

短波電臺瞬時斷電保護(hù)電路通常選用高能復(fù)合鉭電容器來實(shí)現(xiàn)能量存儲。高能復(fù)合鉭電容器具有能量密度高、阻抗低、體積小等特點(diǎn)，可以進(jìn)行無限次的充放電，常用于功率緩沖、能量吸收、斷電延遲或瞬時斷電保護(hù)電路。

設(shè)電路正常工作時的輸入功率為P，電容容量為C，其兩端的電壓為U1，則電容儲存的能量為：W1=C（U12）/2。當(dāng)輸入電源斷電后，經(jīng)過時間t，電容兩端的電壓為U2，此時電容剩余的能量為W2=C（U22）/2。因此在這一過程中儲能電容釋放的能量W=W1-W2=C（U12-U22）/2，它應(yīng)等于電路維持時間t正常工作所需的能量，即Pt=W=C（U12-U22）/2。因此可知維持電路正常工作時間t所需的最小電容量為C= 2Pt/（U12-U22）。

在短波電臺實(shí)際設(shè)計中，P為5VDC/DC電源轉(zhuǎn)換電路正常工作時的輸入功率（約為10W），t為最大供電中斷時間0.05s，U1為最低穩(wěn)態(tài)正常電壓（比如在GJB 181-1986中規(guī)定A類用電設(shè)備最低穩(wěn)態(tài)正常電壓為26V），U2為5VDC/DC電源轉(zhuǎn)換電路能夠正常工作的最低輸入電壓（一般DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路最低輸入電壓要求為18V）。因此，短波電臺斷電保護(hù)電路所需的最小電容量C=2841μF。另外，在設(shè)計時為防止由于其他不確定因素導(dǎo)致的供電時間和功率密度不夠的情況，在電容器容量選擇時應(yīng)留有余量（通常不小于50%），結(jié)合高能復(fù)合鉭電容容量表容量選項，在上述條件下瞬時斷電保護(hù)電路儲能電容容值建議選擇4200μF。當(dāng)然，在實(shí)際選型過程中還需根據(jù)系統(tǒng)要求及產(chǎn)品電路情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)束語

短波電臺電源設(shè)計中使用高能復(fù)合鉭電容器作為儲能電容為控制電路在系統(tǒng)出現(xiàn)供電中斷時提供能量，可有效解決系統(tǒng)供電中斷期間產(chǎn)品出現(xiàn)斷電重啟導(dǎo)致實(shí)時工作參數(shù)丟失或通信鏈路中斷的問題，滿足GJB181-1986或GJB181A-2003相關(guān)要求，并增加軟啟動電路解決產(chǎn)品上電過程中因儲能電容及后端電路濾波電容充電造成的電流過沖問題，為同類機(jī)載電子設(shè)備瞬時斷電保護(hù)設(shè)計提供了參考方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]GJB 181-1986，飛機(jī)供電特性及對用電設(shè)備的要求.

[4]GJB 181A-2003，飛機(jī)供電特性.

作者簡介：

張大磊（1983-），陜西富平人，工程師，現(xiàn)在從事無線電電子線路設(shè)計工作，主要研究方向：短波通信