機載電子設(shè)備直流電源的沖擊電流抑制電路

劉國美 禹勇 嚴會會 馮非 王亮 中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所

引言

負載開關(guān)屬于通用功率開關(guān)器件中的一種，關(guān)于負載開關(guān)的軟啟動設(shè)計和電流抑制設(shè)計等已有相關(guān)研究，本設(shè)計在機載電子設(shè)備中使用了負載開關(guān)，并設(shè)計了電流抑制電路對沖擊電流進行抑制。

1 負載開關(guān)沖擊電流產(chǎn)生分析

在機載設(shè)備電源中會使用到DC/DC變換器，負載開關(guān)則用于DC/DC變換器的控制。由于電容的等效串聯(lián)電阻(ESR) 很小，使負載開關(guān)在控制閉合的瞬間產(chǎn)生大電流，這個大電流就是沖擊電流，沖擊電流形成過程如圖1。Co為DC/DC變換器前面的濾波等效電容，電源電壓V_in在MOS管導(dǎo)通瞬間向等效電容Co充電，此時產(chǎn)生了一個很大的沖擊電流。

圖1 沖擊電流形成示意

2 沖擊電流抑制電路的設(shè)計

MOS管的具有極小的導(dǎo)通電阻，因此在電路中MOS管引起的壓降很小，可以忽略。我們可以通過調(diào)整MOS管米勒平臺的時間，來達到調(diào)整沖擊電流大小的目的。基于該基礎(chǔ)，本文提出一種沖擊電流抑制電路，如圖2所示。

28V輸入電壓由電阻R1和R2分壓后驅(qū)動MOS管導(dǎo)通后，方可形成供電回路，給DC/DC模塊供電。通過調(diào)整電阻R1、R2和電容C2和C3可以調(diào)整MOS 管的導(dǎo)通時間，達到調(diào)整導(dǎo)通瞬間沖擊電流的大小的目的。當(dāng)輸入電壓過大時，穩(wěn)壓管V1可保護MOS管柵源極，以免MOS管被擊穿。電容C4為沖擊抑制電路后端濾波電容以及DC/DC模塊內(nèi)部電容的等效總和。C4的容值比電容C2和C3的容值大很多，所以在上電的瞬間輸入電壓絕大部分都加在了C2和C3上。R3為泄放電阻，MOS管導(dǎo)通后，電容C2上的電荷通過R3進行泄放，以此保證MOS管在下一次導(dǎo)通時C2兩端電壓比MOS管的開啟電壓小。

圖2 沖擊電流抑制電路

3 參數(shù)選擇及試驗結(jié)果

關(guān)鍵參數(shù)選取原則及具體參數(shù)選擇如下：Ciss為MOS 管輸入電容，此參數(shù)可在器件資料中查詢到。具體參數(shù)選擇規(guī)則如下：

為保證電容C3起主要作用，選擇：C3遠大于Ciss；

R5為阻尼電阻，R5遠小于R1。

按照公式Vmax(C3／(C3+C2)＜3V) 選擇合適的C2和C3，可以使開機瞬間MOS的柵源電壓小于其柵極開啟電壓，Vmax為輸入電壓最大值，

穩(wěn)壓管V1可保護MOS管柵源極，以免MOS管被擊穿。

選擇MOS管：電源額定輸入電壓為28 V，根據(jù)軍標對過壓浪涌的要求Vds≥50V。為了使MOS管在導(dǎo)通狀態(tài)時的損耗小，需要選擇漏源導(dǎo)通電阻Rds(on)較小的MOS管。

機載電子設(shè)備正常工作電流為0.5A，試驗中通過調(diào)整R1和R2的阻值以及電容C2和C3的容值，可以改變沖擊電流沖擊電流開始的時間、大小以及恢復(fù)到正常工作電流值的時間。最終選擇MOS管V3為IRF1310N，其導(dǎo)通電阻只有36 mΩ，導(dǎo)通時損耗比較小。R2=120kΩ，R1=300kΩ，R3=1kΩ，R4=10Ω，R5=205Ω，C3=10nF，實際中C2為1μF 和0.1μF 電容并聯(lián)，R5為兩個510Ω電阻并聯(lián)。由于電子設(shè)備的正常工作電壓范圍為18～32V，R2電阻上的分壓最大為 9.6V，50V過壓浪涌時R2電阻上的分壓為14.3V，IRF1310N柵源最大電壓為20V，故實際中省略了穩(wěn)壓管V1。

圖3為未加沖擊電流抑制電路時電子設(shè)備的沖擊電流，從圖中可以看出沖擊電流大小為7.6A，為正常工作電流的15.2倍。圖4為沖擊電流被抑制后的電流，從圖中可以看出沖擊電流被抑制到了2A，為正常工作電流的4倍，恢復(fù)到正常工作電流的時間為120ms，滿足了沖擊電流大小為正常工作電流5倍內(nèi)以及200ms內(nèi)恢復(fù)到正常工作電流的要求。

圖3 未加沖擊電流抑制電路的沖擊電流

圖4加沖擊電流抑制電路后的沖擊電流

4 總結(jié)

MOS管的導(dǎo)通阻抗低、驅(qū)動簡單，它與其他器件簡單組合就可以構(gòu)成沖擊電流抑制電路，因此可以根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境以及使用要求進行設(shè)計調(diào)整。本案例中基于MOS 管的沖擊電流電路可應(yīng)用到小功率負載，通過調(diào)整MOS管以及其他器件的選型后也可以應(yīng)用到大功率負載電路中。