機載電源掉電保持電路的研究與設計

關(guān)鍵詞：掉電保持；輸入電壓檢測判斷；保持電容；小功率升壓模塊

0引言

按照GJB181B—2012標準，機載電源需要滿足50ms掉電保持的相關(guān)要求，即輸入端掉電時輸出端電壓能夠保持50ms的正常工作[1]。為滿足該標準的要求，通常在輸入端添加升壓電路，將輸入電壓由28V升至約33V，從而給保持電容充電。由于升壓后的電壓值變高，電容容量將隨之降低。但升壓電路參與了主電路工作，其功率需要滿足輸出功率要求，相當于多參與了一級電路，因此主電路效率、體積、散熱以及電磁兼容性降低。針對以上問題，通過對主回路輸入端電壓檢測、判斷，掉電時切入保持電容，正常時切出保持電容，采用小功率升壓電路給保持電容充電，不參與主回路工作，解決效率、體積等問題。

1掉電保持電路原理

如圖1所示，當直流轉(zhuǎn)直流（DC/DC）主回路輸入電壓跌至一定值時，通過采樣判斷電路，將采樣輸入端電壓值與設定基準值進行比較，進而產(chǎn)生兩組低電平控制信號。其中，一組控制信號控制光耦實現(xiàn)金屬—氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，MOSFET）打開，切入保持電容至主回路；另一組信號通過控制三極管實現(xiàn)小功率升壓電路關(guān)閉，在保持電容切入之前切出該部分電路，防止其參與主電路工作。當輸入端電壓保持正常值時（未下跌），將采樣輸入端電壓值與設定基準值比較，進而控制比較器動作產(chǎn)生兩組高電平信號（信號未變，保持高電平）。其中，一組信號控制光耦保持MOSFET關(guān)閉，未切入保持電容；另一組信號保持小功率升壓電路開啟，升壓電路持續(xù)給保持電容充電。

1.1采樣判斷電路工作原理

如圖2所示，采用比較器N1、N2負端采樣輸入電壓值，將D6基準作為判斷點（判斷點是基準點參考值，當采樣電壓低于該參考值時，比較器發(fā)生反轉(zhuǎn)）接入N1、N2正端[2]。如圖3所示，比較后N1信號傳輸至光耦U1，以驅(qū)動Q1和Q2（MOSFET），實現(xiàn)保持電容C13切入（或切出）至主回路工作；N2信號傳輸至三極管Q3，以控制小功率升壓電路切換。

當主電路輸入端掉電后，采樣輸入端電壓與基準源D6通過比較器N1、N2比較產(chǎn)生兩路信號，一路控制光耦U1來實現(xiàn)保持電容的切入；另一路控制三極管Q3來拉低小功率升壓電路，關(guān)閉充電狀態(tài)，防止升壓電路參與主電路工作。比較器等電路使用恒流源進行供電，恒流源由三極管Q2、穩(wěn)壓管D4以及電阻電容組成，由保持電容C13供電。

1.2切換電路工作原理

如圖3所示，切換電路由Q1、Q2、D3組成對管開關(guān)，當光耦U1導通后將Q1、Q2打開（Vgs=12V，MOSFET處于飽和區(qū)），將儲能電容C13切入電路保持主電路，以保持后級電路正常工作50ms，實現(xiàn)在突然掉電時，能夠及時存儲機載設備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。同時比較器N2產(chǎn)生信號控制Q3導通，Q3產(chǎn)生CTRL信號控制小功率升壓電路關(guān)斷（圖4），防止升壓電路參與主電路工作。采用雙MOS對管設計方式的目的是避免后級負載電流出現(xiàn)倒灌情況，從而影響切換電路工作。

1.3保持電容工作原理

保持電容容量與后級負載保持時間、保持功率有關(guān)，同時該電容容量較大，小功率升壓電路升壓后可以降低該電容容量，但充電瞬間電容相當于短路，存在沖擊電流[3]。因此設計時考慮采用功率電阻、快速二極管實現(xiàn)慢充快放電路。如圖5所示，當充電時，電阻R1可以限制充電電流大小；當放電時，二極管D1可以實現(xiàn)快速放電。

2掉電保持電路參數(shù)分析

如圖2所示，三極管Q2、電容C14～C16、二極管D4和D5、電阻R5～R7共同組成恒流源[4]。比較電路通過電阻R8、R9、R11、R12等，比較器N1、N2，基準源D6，電容，三極管Q3，以及光耦U1等器件搭建。其中，比較器N1、N2采用四通道J139芯片，供電電壓為2～36V（恒流源供電）；D6基準源選擇TL431產(chǎn)生2.5V基準；三極管選擇NPN型3DG182B管子；光耦選擇JB302C。采樣輸入端電壓跌至某設定值時，通過與2.5V基準進行比較來確定各電阻的阻值。以電阻R12、R13為例，其計算公式為：

其中，U設定值為在輸入端掉電后電壓跌至后級DC/DC最低工作點時的電壓值，一般為9V（額定電壓為28V），但設計需要一定的裕度，因此該設定值應大于9V，在電壓跌至后級DC/DC最低工作點之前切入保持電容。R12、R13為取樣電阻，能夠?qū)⒃O定值通過該取樣電阻分壓到與基準電壓能夠比較的電壓值。

如圖3所示，切換電路由N通道MOSFETQ1和Q2、穩(wěn)壓管D3、電阻R4、電容C15組成。其中，MOSFET根據(jù)輸出電壓、電流進行選擇，而該電壓電流需要滿足GJB/Z35—1993標準的降額要求，同時還需要考慮MOSFET導通后的內(nèi)阻值，進而確認散熱功耗，保障產(chǎn)品可靠性。D3選擇12V穩(wěn)壓管（12V為穩(wěn)壓管的擊穿電壓），從而保持MOSFET能夠完全在打開狀態(tài)。電阻R4為分壓電阻，電容C15為瓷介電容，該電容不能選擇太大容量，否則容易使MOSFET工作在線性區(qū)的時間過長，一般選擇0.1μF/50V。

如圖5所示，保持電容C13的選型與輸出保持功率有關(guān)，其計算公式為：

其中，U1為電壓初始值，U2為電壓終值，P為輸入功率，ΔT為保持時間。

3試驗數(shù)據(jù)分析

某機載電源供電特性為：直流輸入電壓為28V（18～36V），要求輸出電壓與電流分別為5V、20A，當直流輸入因突發(fā)原因掉電時，保證機載電源能夠在5V的電壓下，正常工作50ms。機載電源輸入范圍設定為9～40V，功率為150W，電源效率η為0.88，小功率升壓電路將輸入端電壓升壓至33V，以實現(xiàn)保持電容穩(wěn)定充電。已知：U1=33V，U2=9V，P=5V×20A/η，ΔT=50ms，根據(jù)式（2）計算得到保持電容C=11273μF。

由試驗結(jié)果可以看出，當輸入端掉電后，輸出端電壓在保持電容（電容切入主回路）的維持下，能夠持續(xù)工作58ms。

4結(jié)論

機載電源掉電保持電路通過采樣輸入端電壓跌落值，并且將其送入比較器后控制MOSFET通斷，從而實現(xiàn)保持電容在主回路中的切入與切出。保持電容切入主回路時給保持電容充電的升壓電路被切出（先切出升壓電路再切入保持電容），保持電容在主回路被切出時給保持電容充電的升壓電路被切入，切入后給保持電容充電。該掉電保持電路具有機載電源成本低、體積小、效率高等優(yōu)點，符合機載電源發(fā)展的趨勢。