航天器產品限流電阻保護設計方法研究

王 棟，王偉榮，劉向陽，羅亞斌，傅 巍，石慧杰

(1.中國航天員科研訓練中心，北京100094；2.中國電子科技集團第四十九研究所，哈爾濱150001；3.中國電子科技集團第四十八研究所，長沙410111)

1 引言

航天器產品設計要求明確指出，下游負載要具備過流保護功能。當前，航天器產品過流保護措施一般分為固態功率電子開關、熔斷器、限流電阻3種。其中，固態功率電子開關主要應用于100 V母線上的設備，具有壽命高、響應快、無噪聲、可靠性高、加電可恢復等優點。但由于半導體器件的固有特性，固態功率電子開關又具有導通后管壓降大(一般功率場效應管的導通電阻也較機械觸點的接觸電阻大)、關斷后有微安到毫安的漏電流、體積大等缺點。熔斷器的優點是結構簡單、使用方便，但熔體熔斷受電流、時間、熔化系數等多方面影響，實際工作中不容易有效熔斷。在載人航天器中，通常要求選用額定電流大于0.5 A以上的規格型號。上述2種過流保護措施均不適用于輸入電壓低、電流小的傳感器產品。

航天器中很多傳感器單機供電電壓為12 V，電流大部分為毫安級，往往選擇限流電阻實現過流保護。當前規范并沒有對限流電阻的設計方法提出具體要求，導致下游單機設計單位設計標準不一致。本文對限流電阻的保護方法進行深入分析，給出基本設計原則，提出限流電阻功率接近和遠超額定功率2種工況下的詳細設計方法，并以3種常用傳感器限流電阻保護電路為例，采用不同阻值、同封裝和同阻值、不同封裝進行試驗驗證。

2 限流電阻設計方法

2.1 基本設計原則

限流電阻串聯在電路最前端，用以限制或隔斷電流，以防產品短路時，電流過大影響上游設備。限流電阻根據產品短路時的功效可以分為2種過流保護模式:①短路時通過電阻限流保護上游配電器，此時限流電阻基本工作在額定功率內；②短路時電阻直接燒斷或近似開路，隔離故障，保護上游配電器，限流電阻工作功率遠大于額定功率。限流電阻的基本設計原則如下:

1)一般情況下，航天器各分系統28 V和12 V的產品供電大部分來自子各分系統控制器DC/DC變換器二次變換，配電輸出。產品短路時，在電阻過流保護期間，一定不要觸發上游DC/DC的保護。根據歐姆定律可得不等式(1)和(2):

式中均默認2個電阻并聯，每個阻值為R。公式(1)適用于理論推導，公式(2)適用于實際選用。式中，V為供電電壓，I為過流時2個電阻上流過的總電流(即過流時的保護電流)，P為上游DC/DC的剩余保護功耗。上游剩余功耗固定時，從式(1)可知，R越大越好。如果保護電阻總功率超過P，則會觸發上游DC/DC變換器的保護，影響連接在同一DC/DC上的其他產品。假設上游DC/DC的保護電流為I，DC/DC下游負載的最大額定電流為I s，產品正常電流為I，則存在式(3):

2)限流電阻采用多電阻并聯，防止單點失效。限流電阻要充分考慮設備工作時自身功耗，嚴格按照元器件降額準則執行。

假設I為產品正常電流，若2個限流電阻并聯，則每個電阻上正常功耗為I×I×R/4。從公式(4)可知，選擇限流電阻時，R越小越好，P越大越好。

式中，β為降額因子，P為電阻的標稱額定功率。

3)增加限流電阻后，要考慮電阻上的壓降不會影響后面電路的正常工作。從公式(5)可知，選擇限流電阻時，R越小越好，這樣電阻上降壓越小，后端電路分壓越大。

2.2 限流電阻功率接近額定功率時設計方法

在產品發生短路故障時，電阻起到限流作用，要求電阻上消耗的功率不要超過該電阻的標稱額定功率，如式(6)、(7)所示:

從式(6)可知，如果電阻發揮限流作用，則R越大越好，并且P盡量大。

實際設計中式(6)不容易滿足。考慮電阻分壓，一般情況下，電阻R不能選很大，其標稱額定功率也較小。尤其是供電電壓為28 V時，更不容易滿足條件。當V＝28 V，選擇額定功率為0.25 W的電阻，其阻值R≥3136Ω，但是大阻值分壓會影響后級電路，所以這種限流模式適用于小電流電路，28 V的供電產品一般選擇熔斷器作為過流保護措施，而不推薦選用限流電阻。

考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應超過該電阻標稱額定功率的γ倍，如式(8)、(9)所示:

式中，γ為功率允許倍數，針對γ的設定，本文后續進行了試驗驗證。

綜上，限流電阻選擇要參考式(1)～(9)，權衡給出合適的電阻。此外選擇電阻時，還要考慮外形封裝尺寸的影響，同一阻值，推薦選用封裝大、額定功率大的電阻作為限流電阻。

2.3 限流電阻功率遠超額定功率時設計方法

產品短路瞬間，若限流電阻實際功率遠超額定功率，則電阻被瞬間燒斷或阻值變大近似開路，實現瞬間故障隔離，短路后電阻瞬間功率遠超于其額定功率，如式(10)所示:

從公式(10)可知，瞬間熔斷需要電阻R值選小，P盡量小，α盡量大。其中α為燒斷倍數，一般手冊上給出電阻的功率燒斷倍數為2.5倍，但是實際情況下，當燒斷倍數達到2.5倍時，電阻并不會被燒斷。并且，如果燒斷功率不夠，在過流過程中，電阻周圍的PCB、三防漆等非金屬材料可能會先于電阻而燒壞，存在隱患。

選擇合適的限流電阻值還要參考公式(1)～(5)權衡得出，同時建議使用航天目錄電阻型號產品。

3 試驗驗證及分析

3.1 試驗1

某航天器分系統產品電導傳感器由分系統控制器提供28 V配電，其過流保護電路由2個電阻并聯實現。設計保證產品一旦過流，電阻便被燒斷，將故障隔離。圖1為試驗原理圖。

圖1 試驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of the test

按照產品設計，搭建一個由2個電阻和1個二極管組成的電路板(圖2)，二極管加在產品前端，防止反向接反，PCB三防，元器件點膠，共設計3塊電路板。按照式(1)～(5)和式(10)的原則，選擇功率為0.1 W，電阻值為100Ω，封裝較小的2012片式膜固定電阻器為限流電阻。

圖2 試驗1的實物Fig.2 Photo of test verification 1

輸入電壓從6 V開始，逐漸增加，使電阻上的功耗增加，觀察瞬間燒斷倍數和規律，結果詳見表1。表1可以看出，選用2012片式/0.1 W/100Ω電阻，PCB電路板刷三防漆，單個電阻功耗在0.91～1.1055W時電路板冒微量煙，說明三防漆等非金屬材料開始燃燒；功耗到1.314 W時，焊盤熔化燒焦；隨著能量積累，功耗逐漸增至1.54W左右，電阻冒煙，此時功耗為電阻額定功率的15.4倍，斷電后測量電阻為千歐級；更換02號電路板重新試驗，單個電阻功耗到2.652 W時，1個電阻燒斷，此時功耗為單個電阻額定功率的26.52倍；更換03號電路板，重新試驗，單個電阻功耗到5.4W，2個電阻直接從中間燒斷，此時功耗為單個電阻額定功率的54倍。

3.2 試驗2

某航天器分系統大多數傳感器為12 V供電產品，按照產品設計，搭建由2個電阻組成的電路板，總共4塊。與試驗1相比，考慮減小電壓，在相同功耗下，選擇阻值為20Ω，同封裝2012/0.1 W片式膜固定電阻器為限流電阻。

輸入電壓從1 V開始逐漸增加，從而使得電阻上的功耗增加，考察瞬間燒斷倍數和規律。結果詳見表2。

表1 試驗1選用2012片式/0.1W/100Ω電阻試驗結果Table 1 Results of test 1 w ith 2012/0.1W/100Ωresistor

表2 試驗2選用2012片式/0.1W/20Ω電阻試驗結果Table 2 Results of test 2 w ith 2012/0.1W/20Ωresistor

表2可以看出，選用2012片式/0.1 W/20Ω電阻，PCB電路板未刷三防漆，未點膠，直接裸板裸電阻，觀察電阻情況。當單個電阻的功耗達到0.83W，即額定功率的8.3倍時，電阻極燙，焊錫熔化，焊盤發黑，有少量煙；能量積累功耗逐漸增至1.25W，電阻損壞，斷電后電阻斷開；02電路板直接輸入12 V電壓，此時功耗為額定功率的72倍，電流瞬間變小，電阻損壞，由于損壞時間過快，電阻表面未看出異常，沒有出現烤焦變黃和冒煙情況；03、04電路板重復試驗，試驗現象一致。

3.3 試驗3

按照產品設計，搭建一個由2個電阻組成的電路板，共2塊。仍然選擇12 V供電產品，額定功率為0.25W，電阻值為20Ω，封裝選用比較常見的3216片式膜固定電阻器為限流電阻。

輸入電壓從2 V開始逐漸增加，持續加電20 min，從而使得電阻上的功耗增加，考察瞬間燒斷倍數和規律，詳見表3。

以納米粒度分析儀測得復方精油微膠囊的大小與分布,如圖所示,A樣品運用異丙醇為脫水劑,最佳配方的粒徑為259.9±17.8 nm; B樣品以冷凍真空干燥直接脫水,最佳配方的粒徑為188.2±25.6 nm。后者粒徑明顯小于前者,分布更加均勻。

表3 試驗3選用3216片式/0.25W/20Ω試驗結果Table 3 Results of test 3 w ith 33216/0.25W/20Ωresistor

表3可以看出，選用3216片式/0.25 W/20Ω電阻，PCB電路板未刷三防漆，未點膠，直接裸板裸電阻，在這種封裝下，當α＝5倍時，電阻極燙，焊錫熔化；當α＝7倍時，電阻附近泄漏黑色疑似液體膠狀物(圖3)，不斷有氣泡冒出，同時聞到明顯燒焦氣味；當α＝9.45倍時，電阻損壞。02塊電路板α＝28.8倍時，電流突降，電阻損壞，由于燒斷時間過快，電阻表面未看出異常，沒有出現烤焦變黃和冒煙情況。

圖3 試驗3燒斷電阻照片(黑色膠狀物質)Fig.3 Photo of burnout resistor(black colloidal substance)in test 3

3.4 試驗分析

1)通過試驗1和試驗2可看到，相同封裝，相同額定功率，阻值越小越容易燒斷。實際選擇限流電阻時，不是阻值越小越好，要兼顧考慮上游變換器的能力和產品輸入電壓，在電壓為28 V情況下，電阻不能太小。

2)通過試驗2和試驗3可看到，相同阻值，相比3216封裝，額定功率小的2012片式封裝電阻更容易燒壞，雖然不能燒斷，但是阻值變大，可以隔離故障。實際選擇限流電阻時，還要根據式(1)～(5)、(10)，參考其他因素，綜合考慮。

3)手冊上燒斷倍數為2.5倍是不可靠的，試驗中此時電阻沒有明顯變化；電阻功率在額定功率4倍之內時，電阻及周邊非金屬材料可靠；電阻功率超過額定功率4倍時，焊錫開始熔化，并冒煙；電阻功率超過額定功率54倍時，可以可靠被瞬間熔斷或燒毀電阻。所以在設計時一定要避開α在4～54倍范圍，因為這個范圍內，電阻阻值可能正常，但是周邊非金屬材料會有冒煙，燒糊現象，這會影響航天員及地面人員正常判斷，也有可能引起艙內煙火報警，帶來更大隱患。

4)限流電阻功率接近額定功率設計時，考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應超過該電阻標稱額定功率的γ倍。當額定功率為0.25 W時，功率允許倍數γ≤4；額定功率為0.1W時，γ≤8，其他情況要保證單個電阻功率＜0.8W。

5)通過以上3項試驗也證明了28 V和12 V供電的某型號傳感器限流電阻設計的合理性。該產品在完全短路的情況下，設計電阻瞬間燒斷或阻值變大，可以隔離短路故障。但由于電阻的離散性，并不是每個批次電阻都能可靠燒斷，所以在產品設計時一般不建議采用限流電阻工作遠超額定功率設計，尤其是不推薦在真空環境下使用。但若必須進行此類設計，可以參考本文計算方法和試驗數據，并開展相應試驗驗證。

4 結論

1)使用限流電阻時，相同封裝、相同額定功率下，阻值越小越容易燒斷；相同阻值，不同封裝下，額定功率越小的封裝，越容易燒壞；

2)限流電阻功率在額定功率4倍之內，電阻及周邊非金屬材料可靠；功率超過額定功率4倍，焊錫開始熔化并冒煙；功率超過額定功率54倍，電阻可以可靠被瞬間熔斷或燒毀。所以在設計時一定要避開α在4～54倍范圍。

3)限流電阻功率接近額定功率設計時，考慮電阻抗過載能力，電阻上消耗的功率不應超過該電阻標稱額定功率的γ倍，當額定功率為0.25 W時，功率允許倍數γ≤4，額定功率為0.1 W時，γ≤8，其他情況要保證單個電阻功率＜0.8W。