機載電子設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 中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所

引言

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

1 負載開關沖擊電流產生分析

在機載設備電源中會使用到DC/DC變換器，負載開關則用于DC/DC變換器的控制。由于電容的等效串聯電阻(ESR) 很小，使負載開關在控制閉合的瞬間產生大電流，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管導通瞬間向等效電容Co充電，此時產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計

MOS管的具有極小的導通電阻，因此在電路中MOS管引起的壓降很小，可以忽略。我們可以通過調整MOS管米勒平臺的時間，來達到調整沖擊電流大小的目的。基于該基礎，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分壓后驅動MOS管導通后，方可形成供電回路，給DC/DC模塊供電。通過調整電阻R1、R2和電容C2和C3可以調整MOS 管的導通時間，達到調整導通瞬間沖擊電流的大小的目的。當輸入電壓過大時，穩壓管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 參數選擇及試驗結果

關鍵參數選取原則及具體參數選擇如下：Ciss為MOS 管輸入電容，此參數可在器件資料中查詢到。具體參數選擇規則如下：

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，根據軍標對過壓浪涌的要求Vds≥50V。為了使MOS管在導通狀態時的損耗小，需要選擇漏源導通電阻Rds(on)較小的MOS管。

機載電子設備正常工作電流為0.5A，試驗中通過調整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、大小以及恢復到正常工作電流值的時間。最終選擇MOS管V3為IRF1310N，其導通電阻只有36 mΩ，導通時損耗比較小。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，R5為兩個510Ω電阻并聯。由于電子設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，故實際中省略了穩壓管V1。

圖3為未加沖擊電流抑制電路時電子設備的沖擊電流，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倍內以及200ms內恢復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

MOS管的導通阻抗低、驅動簡單，它與其他器件簡單組合就可以構成沖擊電流抑制電路，因此可以根據電子設備的工作環境以及使用要求進行設計調整。本案例中基于MOS 管的沖擊電流電路可應用到小功率負載，通過調整MOS管以及其他器件的選型后也可以應用到大功率負載電路中。