短路保護和浪涌抑制電路的結合

黎 雁

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008)

1 研究背景

近年來，隨著裝備系統(tǒng)的復雜化，電源供電支路越來越多，其供電結構如圖1所示。由于多個用電設備共用一條輸入母線，任何一個用電設備端造成的短路故障都會導致母線供電異常，從而影響所有設備的正常使用。另外，在每一個用電設備開機的過程中，由于每個供電支路的輸入端會設置EMI濾波電路，其中有大量濾波電容，開機時電源對濾波電容進行充電產生輸入浪涌電流，從而對供電母線造成沖擊[1]。

圖1 系統(tǒng)供電結構

為保證系統(tǒng)的正常工作，每個供電支路應互不干擾.當某個供電支路由于設備或線纜原因造成供電短路時，該支路應不影響其他支路產品的正常工作以及不會對輸入電源產生影響，且當短路故障消除后，電路能恢復供電[2]。本文提出了一種基于場效應管器件的浪涌電流抑制電路及短路保護電路，該電路具有抑制電源加電瞬間浪涌電流、在某個支路故障引起短路時保護供電母線、保證其他支路正常工作以及在短路故障消除后能自動恢復對負載設備供電的能力，對于提高系統(tǒng)供電的可靠性和安全性具有重要意義[3]。

2 浪涌抑制電路設計

電源的啟動浪涌電流主要是因為給電容充電引起的。當輸入電壓恒定時，啟動電流的大小與電容量以及輸入電壓變化率由電路特點決定，無法減小，只能通過減小輸入電壓的變化率來實現[4]。減小輸入電壓變化率有有源電路和無源電路兩種方案。根據電流浪涌的要求，無源電路已不再適用，必須采用有源電路。通常采用PMOS或者NMOS作為開機浪涌功能器件，利用MOSFET可作為可變電阻的特性來抑制浪涌電流。

采用PMOS或者NMOS其原理大致相同，都是通過設計專門的RC電路來控制MOSFET的柵極電壓，從而實現通過控制MOSFET漏極和源極之間導通情況來控制浪涌電流。采用PMOS時，MOSFET串接在供電正線上，采用NMOS時，MOSFET串接在供電回線上[5]。

在本文中，采用n溝道MOSFET的浪涌抑制電路如圖2所示。當輸入端加電時，MOSFET漏源兩端建立電壓，但是由于電容Cl兩端電壓不能突變，MOSFET的柵極電壓被鉗位在0 V，漏源截止。隨著電容Cl兩端電壓UC1的升高，MOSFET柵極電壓逐步升高，當UC1達到Ql的開啟電壓后，Ql從截止狀態(tài)過渡到放大狀態(tài)，漏源兩端也逐漸導通，其特性相當于一個阻值不斷減小的可變電阻。電源通過Ql給后端設備輸入端的電容進行充電，浪涌電流得到抑制[6]。當UC1電壓值達到使Ql飽和導通的電壓值時，Ql飽和導通，成為一個小電阻，電路進入常態(tài)，用電設備獲得穩(wěn)定的輸入電壓。

圖2 采用n溝道MOSFET的浪涌抑制電路

3 短路保護電路設計

從圖1的供電結構圖可見，對于任何一個用電設備，當在負載端出現短路故障時母線的輸入電壓將被拉低，影響其他設備的供電，所有用電設備均不能正常工作[7]。一般情況下，為防止系統(tǒng)的單機短路故障對母線的影響，會在單機所在支路上串聯保險絲。當電路發(fā)生故障或異常時，隨著電流不斷升高，保險絲會在電流異常升到一定的高度和一定的時間時自身熔斷，切斷電流，從而起到保護電路安全運行的作用。保險絲保護電路簡單，但是在保險絲熔斷后其后級的電路也因此和母線永久斷開，即使后級電路的故障已經排除，電路也不具備自恢復能力[8]。在對圖2 的電路進行改進后，得到圖3所示的帶有短路保護功能的浪涌抑制電路。在圖3所示電路中，相比圖2增加了輔助電源電路、采樣電路以及保護鎖定電路。

圖3 加入短路保護功能的浪涌抑制電路

3.1 輔助電源電路

輔助電源電路采用三端穩(wěn)壓電路實現，用于為采樣電路和驅動控制電路的供電[9]。另外，三端穩(wěn)壓器還為采樣電路提供基準電壓Vref。三端穩(wěn)壓器選用JW7812，其電路如圖4所示。

圖4 輔助電源電路

3.2 采樣電路

采樣電路如圖5所示，用于采集電路中的電流信號。正常負載情況下，由R11與R12分得的電壓為正值，N1A的反向端電壓為零，N1A的輸出為低。當輸出過流時，取樣電阻R7上的壓降增大，N1A反向端的電壓值降低，當N1A反向端的電壓值下降至0 V時，N1A輸出過流保護信號QH。

圖5 電流采樣電路

3.3 保護鎖定電路

保護鎖定電路如圖6所示，電路主要由CD4098單穩(wěn)態(tài)電路實現。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點是在輸入脈沖的觸發(fā)下，其輸出端產生一具有恒定寬度的矩形脈沖，此狀態(tài)是暫時穩(wěn)定的，經過時間t后又回到初始狀態(tài)。時間t由外接電阻和外接電容調節(jié)，具有較寬的調節(jié)范圍[10]。通過CD4098獲得的脈沖展寬電路將過流信號的窄脈沖展寬，以鎖定MOSFET的關斷時間，避免過流保護時打嗝保護頻率過高，使得MOSFET過熱損壞。且由于經過t時間之后又回到初始狀態(tài)，因此保護是可恢復的。

圖6 保護鎖定電路

電路的工作原理如下，采樣電路得到了過流保護信號QH，QH信號通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路后輸出QH1，QH1為QH的展寬波。由于過流時需要將負載從母線上斷開，即需要關斷Q1，此時需要將Q1的柵極電壓調整為低電平，將過流保護信號反相后才能用于Q1的控制。通過增加1個MOSFET Q2，可以將過流信號控制邏輯進行反相。加入MOSFET Q2后，當產品正常工作時，采樣電路輸出信號QH為低電平，Q2截止，Q1導通，輸入母線為后級電路提供電壓。當后級電路出現短路故障時，采樣電路輸出過流信號QH為高電平，Q2導通，Q1的柵極通過Q2的接地，Q1截止，即模塊檢測到過流信號后，保護鎖定電路將Q1的柵極置為低電平并保持一段時間，該段時間即為保護動作鎖定時間。鎖定時間結束后，保護鎖定電路釋放Q1的柵極，Q1重新導通，電路重新啟動，如果導致過流故障的負載一直接在電路中，那么產品將處于導通到保護交替的循環(huán)中。

4 實驗結果

對上文的電路進行實驗驗證，在輸入28 V直流時，將電路的輸出端通過開關強制短路，得到實驗波形如圖7所示。在圖7（a）中C1和C2分別為QH和QH1的波形，圖7（b）中C1為采樣電阻兩端的波形，C2為QH1波形。由于輸出被短路，電路進入了打嗝保護模式，因此過流保護信號QH為一組頻率恒定的窄脈沖，QH1為與QH同頻率但占空比更大的展寬波。由于QH高電平時（過流時）Q1斷開，采樣電阻兩端的電壓為0 V,當QH為低電平時，Q1將緩慢導通，回路中的電流逐步增大，采樣電阻兩端的電壓緩慢上升。因此，采樣電阻兩端的電壓波形與QH和QH1同頻反相。采樣電阻兩端的電壓最大值為0.37 V（圖7（b）中C1的脈沖幅值），持續(xù)時間約為1.7 ms（圖7（b）中C1的脈沖寬度），由于采樣電阻的阻值為0.1Ω，因此可知浪涌電流的為3.7 A（0.37V/0.1Ω），持續(xù)時間1.7 ms，產品的浪涌抑制功能得到驗證；此時，通過電流表測得的輸入電流為0.1 A，產品短路保護功能得到驗證。

圖7 實驗波形圖

5 結 論

針對復雜裝備系統(tǒng)多支路電源供電的可靠性和安全性問題，本文提出了一種解決方案。通過在每一個供電支路前端加入一個短路保護和浪涌抑制結合的電路，解決了各支路開機時的浪涌電流問題，同時使得支路負載出現短路故障時，保護供電母線不受影響，而且其他支路依然能夠正常工作。在故障支路的故障排除后，該支路能夠自動恢復供電，提高了系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。