一種機載設備沖擊電流抑制的方法

劉曉貞

北京青云航空儀表有限公司，北京，101300

0 引言

機載設備為了滿足飛機的電磁兼容要求和提高供電電源的品質，在電源輸入端一般會設置濾波網絡對電源進行濾波。另外一般機載設備采用DC/DC變換器將機載電源轉換成自身需要的電源，為了保證DC/DC變換器輸出的穩定性，會在DC/DC變換器輸入端接入大容量濾波電容，輸出端接入大量電容降低DC/DC輸出電壓的紋波，保證輸出電源品質。在上電瞬間，由于電容的特性，電容充電會產生極大的電流，這個電流通常可達到十幾倍設備額定電流。通常稱呼這個加電瞬間產生的電流為輸入沖擊電流[1]。GJB-181B-2012中關于沖擊電流有明確的要求，沖擊電流不能超過額定電流的5倍，因為過高的沖擊電流會導致設備中對電流有要求的器件失效造成設備故障，或由于瞬時電流過大導致供電系統電壓不穩，對系統和系統中其他設備造成影響。

本文對輸入沖擊電流產生的原因進行了分析，在常用的解決方法基礎上，提出了一種新的工程設計實現方法。

1 直流電源啟動沖擊電流產生原因

一般機載設備采用DC/DC變換器將機載電源轉換成自身需要的電源，典型的機載設備供電模型如圖1所示。為了抑制DC/DC變換器開關頻率的傳導發射干擾，在DC/DC變換器前增加電源濾波網絡，其中包含大量的差模電容；為了保證DC/DC變換器輸出的穩定性，會在輸入端接入大濾波電容如C1，濾除差模干擾，輸出端接入大量電容降低DC/DC本身紋波如C2，保證輸出電源品質。

產生沖擊電流的原因就是在加電的瞬間，輸入電源會對所有的電容進行充電，電容近似于短路狀態，就會導致沖擊電流產生。電流大小取決于充電回路的電容器等效串聯電阻（ESR）和電容容值，電容越大，等效串聯電阻越小，沖擊電流越大。

圖2為產品電源加電瞬間沖擊電流典型波形，整個過程包括兩個尖峰，第一個是EMC濾波器電容和DCDC電源模塊的輸入電容充電造成的浪涌電流，其對電容充電直至電容電壓與輸入電壓相等；第二個尖峰電流是DC/DC模塊啟動造成，電源模塊在啟動過程中由于后端的容性負載會產生一個過沖，造成第二個電流尖峰[2]。第二個電流尖峰可以通過DCDC模塊的軟啟動功能，將沖擊電流幅值降低，但無法抑制DC/DC輸入端電容引起的沖擊電流。

第一個沖擊電流尖峰的峰值和形狀取決于電源的輸入特性，即電源的輸入阻抗。沖擊電流I=C*dU/dt，電容C是濾波器及DCDC變換器輸入端的電容和。只有當電容輸入電壓斜率有很大的突變（沖擊電流測試時，電容兩端的電壓在20us內從0變到28V），才會帶來較大的輸入浪涌電流問題[3]。

2 基于MOSFET器件進行沖擊電流抑制的設計

2.1 原理

針對上文中描述的DC/DC輸入端電容引起的沖擊電流，通過MOSFET作為核心器件的電路進行抑制。核心設計思想是利用MOSFET器件的特性，通過將輸入電容電壓變化斜率變緩，增長充電時間的方法對沖擊電流進行抑制。

工作原理如下：電源啟動，由R1、R 2、V4、C2 組成的RC延時電路剛開始工作，此時NMOSFET 管V4 漏源極截止，電源通過R1 供電母線給電容C2充電； 當電阻R1和電容C2組成的延時電路使N溝道MOSFET管V1的G極電壓達到開啟電壓時，MOSFET管V1開啟，并工作在線性區。漏極電流IDS與柵極電壓UGS成比例關系。在場效應管逐漸導通的過程中，后端電路中的電容被逐漸充電至穩定，沖擊電流得到抑制。通過調節R1、R2、C1的值，可以得到較好的浪涌電流抑制效果[4]。

2.2 元器件選型

MOSFET: 由于MOSFET直接安裝于電源線上（或回線上），因此Vds保要大于電源線上最大出現的電壓，Ids要大于設備最大消耗電流，并且按照標準進行降額。另外Vgs小于規定值，需針對不同的供電情況進行考慮。

R1、R2、V4 組成分壓保護電路：其中R1、R2 為分壓電阻，使V4 的Vgs門限電壓在正常范圍內，V4為穩壓二極管，在電源浪涌電壓的情況下保證柵極電壓不超過V4 的Vgs，從而達到保護作用。

R1、C2組成延時電路：此電路是整個電路的核心，調整C2、R1 的值來改變電容的充電速度，從而達到控制啟動浪涌電流的目的。電容C2兩端的電壓，也是MOSFET的開啟電壓。

具體到電路設計，需要充分考慮設備的供電情況、用電情況，以及對沖擊電流的要求，對充電電容、MOSFET的功率電流、電阻阻值進行充分考慮計算。因為GJB181B-2012對于沖擊電流不但有幅值要求，還有100ms回到額定電流的要求。整個電路設計簡單，器件也比較少，但是由于一般要選擇功率型MOSFET，導致器件體積較大，而且需要精確計算才能確定各個器件的選型[5]。

2.3 集成設計

本文采用了一種集成器件對沖擊電流進行抑制，XC388過壓過流保護開關。該器件集成了N-MOSFET，不但可以實現過壓過流保護等功能，并且還可以通過外接電容調節輸出電壓的啟動時間，可有效抑制上電時的輸入沖擊電流。典型電路圖如圖4所示。

通過調節電容C2的容值可以調節軟啟動時間，典型電容和啟動時間關系如表1所示。

表1 啟動時間典型電容值參數

該器件工作范圍最高可達60V，適用于機載直流28V供電系統，集成的N-MOSFET導通阻抗小于40mΩ，可有效降低損耗；并且該器件尺寸為3mm×3mm，非常小，外圍電路簡單，也可以靈活應用于各種需要電源保護的場合，對于產品的小型化、集成化有非常大的使用價值。

2.4 試驗驗證

圖5為某機載電子設備未加沖擊電流抑制措施時的啟動沖擊電流，設備額定電流為0.25A。從圖中可以看到，沖擊電流為約10A，為正常工作電流的40倍。圖6為增加了XC388保護開關并設置軟啟動電容為47nF時沖擊電流被抑制后的電流圖，可以看出啟動輸入沖擊電流被抑制到了0.54A，為正常工作電流的3倍以內，滿足GJB-181B中沖擊電流小于正常工作電流5倍的要求。

3 結語

本文對機載電子設備上電啟動沖擊電流產生的原因進行了分析，對解決沖擊電流的電路和選型進行了分析，并提出了一種基于XC388過流過壓保護開關來抑制沖擊電流的解決方法。該方法只需調整軟啟動電容來控制輸入電壓上升時間，便可以達到不同的電流抑制效果，不必經過復雜計算和過多的器件選型考慮就可以實現對沖擊電流的抑制。該方法外圍電路簡單，并可實現過壓和過流保護等功能，可廣泛適用于機載28V電源供電設備，對于機載設備解決供電兼容性要求有非常大的幫助。