28V直流輸入過壓浪涌電路抑制方法研究

1.引言　　

28V直流電源是最早使用在飛機(jī)上的一種電源。其額定電壓為28V，穩(wěn)態(tài)變化范圍18～36V。在航空28V直流電源中要求用電負(fù)載能夠承受80V/50ms 的過壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌。電壓浪涌多發(fā)生于大發(fā)電機(jī)開關(guān)、發(fā)動引擎、瞬變負(fù)載等情況下，如突卸或突加負(fù)載會引起發(fā)電機(jī)匯流條電壓短時(shí)升高或下降，從而產(chǎn)生過壓浪涌或欠壓浪涌。這些浪涌電壓通常出現(xiàn)在配電總線處，本文所指浪涌均為過壓浪涌。浪涌電壓大大地超過穩(wěn)態(tài)電源電壓，當(dāng)它襲擊到用電設(shè)備上時(shí)，往往造成誤操作和設(shè)備的損壞，可能使整個(gè)系統(tǒng)停頓、通信中止?！　?/P>

鑒于上述提到的浪涌的危害性，為了保護(hù)這些用電設(shè)備，防止受浪涌電壓沖擊而損壞，必須在直流電源電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，考慮浪涌的影響，增加防護(hù)措施，設(shè)計(jì)有效的抗浪涌電路，對電子設(shè)備的電源電路進(jìn)行防浪涌處理。由于80V/50ms 過壓浪涌的伏秒積很大，所以不能簡單地用傳統(tǒng)的儲能方式來抑制，否則電感和電容元件將會太大?！　?/P>

2.原理與設(shè)計(jì)　　

本文總結(jié)了部分尖峰浪涌抑制的方法，具體介紹如下：　　

2.1 無源浪涌抑制器

浪涌抑制器最基本的使用方法是直接將電壓箝位器件與被保護(hù)的用電設(shè)備并聯(lián)，以便對超過被保護(hù)設(shè)備預(yù)定電壓值的情況進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。其中，電壓箝位器件主要有壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器等。在正常情況下，電源電壓的波動范圍低于箝位器件的動作電壓，入情況下，Zs 上也存在壓降，增加了損耗。

箝位器件無反應(yīng)，相當(dāng)于開路;當(dāng)電源出現(xiàn)浪涌時(shí)，一旦浪涌電壓高于箝位器件的動作電壓，箝位器件快速導(dǎo)通，將電源電壓限制在安全范圍內(nèi)，從而起到保護(hù)用電設(shè)備的作用?！　?/P>

2.1.1 氧化鋅(ZnO)壓敏電阻　　

ZnO壓敏電阻器是一種以ZnO 為主體、添加多種金屬氧化物、經(jīng)典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。壓敏電阻的伏安特性如圖1 所示，它與兩只特性一致的背靠背連接的穩(wěn)壓管性能基本相同。壓敏電阻在電路中通常并聯(lián)在被保護(hù)電器的輸入端，如圖2 所示。圖中，Zs 的作用是限制過壓時(shí)的電流，壓敏電阻的Zv 與電路總阻抗構(gòu)成分壓器，因此壓敏電阻的限制電壓為

當(dāng)壓敏電阻兩端所加電壓在標(biāo)稱電壓內(nèi)時(shí)，其阻值幾乎為無窮大，處于高阻狀態(tài)，漏電流遠(yuǎn)小于50μA;當(dāng)它兩端電壓超過額定電壓時(shí)，其阻值急劇下降，壓敏電阻導(dǎo)通，工作電流增加幾個(gè)數(shù)量級，反應(yīng)時(shí)間為毫秒級。由此可見，Zv 在瞬間流過很大的電流，Zs 上將承受浪涌電壓中大部分電壓，而使得用電器的兩端電壓比較穩(wěn)定，因此能起到保護(hù)作用[2]，但在正常輸入情況下，Zs 上也存在壓降，增加了損耗。

2.1.2 瞬態(tài)電壓抑制器　　

另一種浪涌抑制元件是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。當(dāng)TVS 兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，迅速吸收高達(dá)數(shù)千瓦數(shù)量級的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路元器件免受各種形式的浪涌脈沖的損害[2]。瞬態(tài)電壓抑制器具有體積小，安裝尤其方便，響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低，擊穿電壓偏壓小，箝位電壓易控制等特點(diǎn)。TVS 二極管有下列不同功率可選擇：(ProTek 公司)

TVS二極管允許的正向浪涌電流在250°C 時(shí)，可達(dá)50～200A，但抑制時(shí)間最長僅能達(dá)到10ms，所以TVS 對于80V/50ms 的連續(xù)浪涌電壓，不能起到良好的抑制效果。另外，由于電壓箝位器件是對浪涌電壓的能量進(jìn)行吸收，經(jīng)常承受大功率浪涌沖擊，會加快器件老化，工作一定時(shí)間后，性能和可靠性下降，保護(hù)能力減弱，導(dǎo)致自身和用電設(shè)備都可能受浪涌沖擊而損壞。　　

2.2 有源浪涌抑制電路　　

為了避免浪涌抑制器件長時(shí)間受到大功率的浪涌沖擊而損壞，所以不考慮并聯(lián)吸能的方式，而是采用一個(gè)功率開關(guān)器件來控制電源輸入，如圖3 所示。在此原理基礎(chǔ)上，提出了三種有源浪涌抑制電路。　　

2.2.1 Buck 型浪涌抑制電路　　

Buck 型浪涌抑制電路由Buck 主電路和控制電路組成。如圖3 所示，其中R1、R2 采樣輸入電壓得到電壓Vf，R3、R4 采樣輸出電壓得到電壓Vr。具體控制原理如下：采樣電壓Vf 與基準(zhǔn)電壓V10，經(jīng)由比較器cmp1 進(jìn)行比較，輸出信號INH;采樣電壓Vr與三角波經(jīng)過比較器cmp2，輸出信號Vv;信號INH與Vv 通過或門運(yùn)算，輸出信號Dr，用于控制主電路中功率管，達(dá)到抑制浪涌電壓的目的。圖4 和圖5 為仿真波形，由仿真分析可見，當(dāng)輸入電壓為28V 時(shí)，輸出電壓為27.9V;當(dāng)輸入電壓超出36V 后，隨著輸入電壓增大，占空比減小，抑制輸出電壓的增大，當(dāng)輸入電壓為80V 浪涌電壓時(shí)，輸出電壓可抑制在40V。

該電路優(yōu)點(diǎn)：Q1 工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小;缺點(diǎn)是增加了兩個(gè)主電路器件，體積尺寸增大。正常電壓下主負(fù)載電流流過兩個(gè)新增器件(Q1，L1)，影響正常狀態(tài)下系統(tǒng)效率。不過可以通過提高開關(guān)頻率來減小電感尺寸?！　?/P>

2.2.2 雙晶體管控制型浪涌抑制電路　　

雙晶體管控制型浪涌抑制電路如圖6 所示，功率器件Q1 采用P 溝道MOS 管，穩(wěn)壓二極管D1 的作用是保護(hù)Q1 柵源電壓在安全范圍之內(nèi)，防止擊穿。

雙晶體管控制型浪涌抑制電路類似于一個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路，輸出電壓的變化實(shí)時(shí)反饋到前端，控制功率管Q1 處于線性狀態(tài)或開通狀態(tài)，以保證輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，消除了浪涌電壓的沖擊。當(dāng)輸入電壓正常時(shí)，R5、R6 分壓值小于Q3 基極導(dǎo)通電壓，Q3 截止;Q2 基極電壓等于射極電壓，Q2 截止;R1、R2 分壓使Q1 柵源極電壓大于導(dǎo)通電壓，此時(shí)Q1 導(dǎo)通，電源通過Q1 對用電設(shè)備正常供電。當(dāng)電源出現(xiàn)浪涌時(shí)，浪涌電壓對C1 進(jìn)行充電，當(dāng)C1 電壓高于浪涌保護(hù)電壓值時(shí)，R5、R6 分壓值大于Q3基極導(dǎo)通電壓，Q3 處于線性放大區(qū)，Q2 導(dǎo)通，Q1 截止，斷開電源，此時(shí)依靠C1 維持用電設(shè)備供電。當(dāng)C1 端電壓下降到正常范圍內(nèi)時(shí)，R5、R6 分壓值小于Q3 基極導(dǎo)通電壓，Q3 截止，Q2 也截止，Q1 導(dǎo)通，恢復(fù)電源供電。　　

圖7 和圖8 為仿真波形，由仿真分析可見，當(dāng)輸入電壓為28V 時(shí)，輸出電壓為27.9V;當(dāng)輸入電壓超出36V 后，隨著輸入電壓增大，功率管上承受的壓降增加，抑制輸出電壓的增大，當(dāng)輸入電壓為80V 浪涌電壓時(shí)，輸出電壓可抑制在40V?！　?/P>

優(yōu)缺點(diǎn)分析：該電路結(jié)構(gòu)簡單，但是P 溝道MOS管導(dǎo)通電阻較大，影響正常狀態(tài)下的效率。

2.2.3 電荷泵驅(qū)動型浪涌抑制電路

如圖9 所示的電荷泵驅(qū)動型浪涌抑制電路，是在Vicor 公司的產(chǎn)品V24A28C400AL 采用的濾波器