機載電子設備欠壓供電電路設計

熊光虎

（中國人民解放軍77123部隊，四川綿陽，622669）

0 引言

我國航空事業的飛速發展，推進了殲擊機、無人機等航空器的更新和發展，大量的機載電子設備被投入到應用當中，各類機型的性能都實現了很大提升。電源是機載電子設備的動力源頭，電路的設計對整個設備的應用都會產生重大的影響。從現有的電源保護情況來看，其電路保護的情況，普遍在功能性上表現出較為單一的特點，并且使用的器件數量也比較多，想要實現多功能的保護，必須要將電路設計作為關鍵性內容，對瞬時斷電后的設備工作情況進行關注，保證其時刻處于不中斷的工作狀態，這也是機載電子設備穩定化運行的重要保障。

1 電路設計的基本思路

對于軍用航空器的機載電子設備而言，其配電系統中不乏大功率的設備，比如大功率發電機，其啟動和關閉、大功率負載或是突然開啟和關閉，都造成電壓的瞬時升高或下降，容易造成過壓浪涌和欠壓浪涌等瞬態電壓[1]。想要各類機載電子設備都保持在安全、可靠的運行狀態當中，需要對其電路設計進行優化。

對于機載電子設備而言，瞬時斷電和欠壓供電的情況都會給整個設備的正常運行帶來不利影響，容易影響到航空器整體運行的安全性和可靠性。一般而言，為了對上述問題進行積極處理，可以采用兩種模式來對電路進行設計[2]。第一種：利用儲能元器件。此種方式是在電路中增加儲能元器件，對其中所儲備電能進行有效利用，來對瞬時斷電或欠壓供電環境下的機載設備問題進行積極處理，對其正常工作狀態實現有效保證；第二種：利用升壓元器件。此種方式是在電路中增加升壓元器件，將處在瞬時斷電或欠壓供電問題的電子設備電壓，升壓至規定好的參數值當中，以此維持設備的正常運行狀態，避免出現死機、短路等問題[3]。本文將重點放到第二種電路設計模式的介紹和分析當中，對升壓元器件進行積極利用，以滿足可靠性要求較高、安裝尺寸和質量要求受限的機載電子設備的瞬時欠壓情況，希望給我國航天器的機載電子設備發展的進步提供一定的參考。

2 具體的電路設計分析

在本次所介紹的升壓元器件瞬時欠壓供電電路設計中，過流保護電路、控制電路、瞬態電壓抑制電路、濾波電路和DC-DC 轉換電路都是其主要的構成元素[4]。該電路即使是處于瞬態8V 欠壓供電的環境下，依舊可以滿足不低于22 V的穩定供電，讓電子設備時刻都處于不斷電的運行狀態當中，為軍用航空器的機載電子設備的穩定性和安全性提供了重要的保障，其具體電路設計可如圖1所示。

圖1 機載電子設備瞬時欠壓供電電路圖

■2.1 過流保護電路設計

固態繼電器是組成過流保護電路設計的主要內容，本次的電路設計采用固態繼電器（型號JGC-7M-2Y）來實現對過流電路的保護。對于固態繼電器電路而言，它有兩方面的功能和作用：一是具備開關的功能。當圖1 中的管腳所控制的電壓處于＞3.6V的情況時，繼電器會呈現出開啟狀。當管腳所控制的電壓處于＜0.7V的情況時，繼電器所輸出的電流和持續的時間會表現為大于保護電流和保護延時時間的現象，使得繼電器進入到過流保護的狀態，其輸出也會處在關斷的狀態當中，對保證電路的安全性和穩定性具有重要意義。

對于過流保護電路而言，其在機載電子設備中所發揮的作用也有兩個方面的內容：一是在載機供電系統中可以發揮出保護的作用。電路過流現象容易給機載電子用電設備造成不良影響，使用固態繼電器將其與載機做好隔離處理，能夠在很大程度上減少不良影響的發生；二是能夠起到維護設備安全性的作用。當機載電子設備出現過流現象時，一定要對供電電源做出及時的切斷處理，最大程度地減少“過流”對用電設備所造成的損壞，提高設備的安全性和完整性，減少資源浪費問題的發生[5]。

■2.2 控制電路設計

本次電路設計中的控制電路設計，可以實現對電子設備輸入電源的上電、下電實施有效控制和處理，從而實現控制固態繼電器的功能。光耦器件是構成控制電路的主要器件，對其進行利用之后，能夠對電源控制信號和外部地線與機載電子設備內部信號線和地線的連接做出隔離處理，在最大程度上減少對機載設備所產生的不良影響，保證設備處于不中斷運行的狀態當中。

■2.3 浪涌抑制電路設計

以相關規定作為主要的依據，但機載用電設備經受欠壓浪涌時，其中每兩次之間的時間間隔需要保持在1min，并且需要注意到直流用電設備的欠壓浪涌，其數值為8 V/50 ms，該情況下的機載電子設備依舊需要處在正常的工作狀態當中，不可出現中斷工作的現象[6]。由此可以看出，浪涌抑制的電路設計是整個電路設計中非常重要的內容。因此，穩壓模塊也是實現浪涌抑制電路設計的核心內容，本次電路設計所采用的穩壓模塊（型號WPN-100S-N），降壓功能電路和升壓功能電路是構成整個模塊的兩個重要內容。其中降壓功能電路是對射極跟隨器的相關設計、功率開關器件的柵源壓差進行利用，在輸入的電壓較設定值（36 V）高時，讓其無法實現飽和導通，以此種方式來實現對輸出電壓的有效控制，避免對相關的用電設備產生損壞等問題；升壓功能電路是對BOOST 開關進行利用，以此種方式來實現對的電路調整，在輸入電壓處于較設定值小的情況時，對該功能進行啟動，從而保證輸出電壓處在不小于22 V的狀態當中，以此種方式來將電壓控制在穩定狀態當中。

■2.4 濾波電路設計

電容與電磁兼容濾波器共同組成本次電路設計中的濾波電路，其在機載電子設備中所發揮的重要作用即對外部電磁環境與關聯設備所產生的一些干擾性的信號，以保證航空器機載設備運行的精確性和安全性。

■2.5 DC-DC 轉換電路設計

在對DC-DC 轉換電路進行設計時，需要保證該轉換電路在滿足《飛機供電特性》和《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》所規定要求的基礎上，還要實現多功能指標的小功率多路輸出的功能需求[7]。以本次電路設計所采用的DC-DC 轉換電路為，其輸入電源控制在15 ～50V，輸出功率為30W，以此來保證機載電子設備的多路輸出。

3 電路試驗和分析

■3.1 功能試驗驗證

在對機載電子設備欠壓供電電路的功能進行試驗時，可以采用功能試驗的方式對其設計的效果進行一定的驗證和分析。開展功能試驗之后發現，利用穩壓模塊的升壓模式可以為輸入電源（8V）的機載電子設備欠壓供電電路的后續工作提供足夠有效的電壓（22V）和電流（2A）的供給。穩壓模塊（WPN-100S-N）能夠以設計要求為依據，為機載電子設備提供正常的工作功率，這說明以升壓模式為基礎的穩壓模塊電路設計，能夠為欠壓供電狀態中的機載電子設備提供可靠性要求高且受尺寸、質量限制的小功率電路，在軍用航空器的機載設備設計中具有非常高的推廣性價值，對提升我國軍用航空器電子設備的應用穩定性具有重要意義。

■3.2 關聯試驗驗證

在對本次設計的電路進行試驗時，可以采用關聯試驗的方式來對其進行驗證。瞬時斷電特性試驗是本次試驗的主要方法，如表1 中數據所示，當輸入電源從8V 升至28V 及其以上，或從28V 瞬時降至0V，在間隔30ms、40 ms、50ms 和100ms 后瞬時上升至28V 及其以上，就很容易造成機載電子設備頻繁死機的現象。出現這種現象的原因即穩壓模塊處于瞬時升壓狀態下會有較大的電流需求產生，并伴隨著一定的持續時間，這種瞬態電流及其持續的時間都較前端過流保護值與過流保護狀態大，由此導致死機現象。具體可見以下數據，詳見表1。此項技術問題所造成的死機現象，容易給穩壓器調節欠壓供電的技術方式產生不良的影響，對其推廣和應用造成一定的限制。

表1 欠壓供電和瞬時斷電試驗數據

■3.3 試驗問題分析

分析處理過流保護電路所導致的設備死機問題時，可以先使用排除方法來對元器件本身可能存在問題做好排除處理，再對設備的死機問題進行定位，最終將問題的原因歸穩壓器的電路設計當中，做出對問題的分析和處理。輸入電流瞬時升壓過程中的儲能器件設備內的負載特性產生影響，致使其發生一定的變化，加之受到二者內部參數變化的影響，會給瞬時升壓中充/放電功能的發揮產生不利的影響，進而產生“沖突性問題”，最終導致過流保護電流進入到過流保護的狀態當中，出現機載電子設備的死機問題。方式來解決瞬時斷電或欠壓供電所致的死機問題；第二種是以第一種方式為基礎，利用增大過流保護時間的方式來處理死機問題；第三種是對穩壓器的電容或電阻值進行調節，使其激增電流值處于小于過流保護電流值的狀態，激增電流持續時間處于大于過流保護延時時間的狀態當中。

■4.1 對固態繼電器的參數進行有效調節

在對過流保護的電流值進行調節時，需要將試驗的數據作為主要的調節依據，將其與本次試驗的固態繼電器初始參數結合在一起來進行確定，主要有兩個途徑的調節方式。第一種即對內部的電阻參數值做升高處理，并高于比較器的正極電壓值，讓輸出端電阻值不變。此時的繼電器如果進入到過流保護狀態當中，就需要增大輸出電流，以此種方式來實現過流保護電流值的提升；第二種即對輸出電阻值的參數進做降低處理，若繼電器進入過流保護狀態，就要增大輸出電流，以此種方式來實現過流保護電流值的提升。簡言之，過流保護電流值的調節需要將實驗數據結合在一起，若瞬時激增的電流值處于過大的狀態時，采用增大繼電器過流保護電流值的方式來應對瞬時斷電所產生的死機問題，會導致出現過流保護功能無法發揮的現象，由此可得該處理方式不是萬能的，不適用過大的瞬時激增電流。

■4.2 對過流保護的延時時間進行合理調節

在對過流保護延時時間進行調節時，需要將試驗數據作為主要的依據，將其與固態繼電器的初始參數結合在一起來實施具體的調節工作。在開展相關的調節工作時，需要對幾個方面的問題多加關注：當瞬時激增的電流持續時間達到秒級或以上的情況時，采用增加過流保護延時時間的方式無法讓瞬時升壓所致的死機問題獲得良好的處理效果；當瞬時激增電流的持續時間是不超過100ms的情況時，實施調節過流保護延時時間的方式在處理瞬時升壓所導致的死機問題，可以獲得比較理想的技術效果。

4 問題和解決途徑

將關聯試驗所驗證的問題情況作為主要的依據，對所存在的問題進行合理的解決，共有三種解決途徑。第一種是對保護器的電容、電阻進行調節處理，利用增大過流保護電流值的

■4.3 對穩壓模塊的參數進行有效調節

以圖2的穩壓模塊內部原理圖為例，將該圖作為主要的依據，對電容 C1、C3、C4 和R2 值進行一定的調節，可以讓Q1 在激增狀態下的電流值及其持續時間得到一定的控制，使得輸入電壓的激增電流保持在小于過流保護電流值的狀態，讓激增電流的持續時間處于大于過流保護延時時間的狀態當中，以此種方式來對瞬時升壓過程中的死機現象進行有效的解決。總體而言，在電路設計中實施對電容 C1、C3、C4 和R2 值的有效調節，在軍用航空器的機載電子設備的瞬時升壓死機問題中可以發揮出重要的作用。

圖2 穩壓模塊內部原理圖

■4.4 小結

當機載電子設備輸入電源處于階躍模式時，對于過流保護電路器件和穩壓模塊因相互干涉而出現的死機問題，總共有上述三種處理措施。過流保護器件的設計需要將過流保護電流、過流保護延時時間參數作為重點，穩壓器的設計需要對輸入電壓階躍狀態下所產生的激增電流值進行合理控制。

5 結論

總之，軍用航空器的各類機載電子設備具有嚴格的要求，需要保證在各類狀況下都保持處于正常運行的狀態當中，并且需要達到規定的性能指標要求。為了保證軍用航空器的機載電子設備在欠壓、供電轉換等中斷性條件下都處于正常工作狀態，需要對其電路設計進行優化。儲能元器件和升壓元器件的使用是常見的兩種設計方式，為了更好地適應當下機載電子設備的高可靠性、尺寸小和質量輕的發展趨勢，升壓元器件的電路設計更具有優勢性，將其作為機載電子用具的電路優化措施，對整個軍用航天器的機載電子設備發展都具有重要的意義。