一种针对GJB181过压浪涌要求的保护电路设计

谢记华，王伟晓，范景林

（洛阳电光设备研究所 河南 洛阳 471009）

随着质量管理理念的不断深入，各行业对标准的符合要求也越来越高，产品出厂前必须通过各项行业标准试验、国军标相关试验等。GJB181-86（被GJB181A-2003替代，但因GJB181-86要求比GJB181A要求更严格，现在很多单位仍在按GJB181进行检测，本文提到的GJB181为GJB181-86）《飞机供电特性及对用电设备的要求》中专门对机载设备的供电种类，供电特性及对飞机上的用电设备提出了专项要求。功率MOSFET及控制电路所组成的保护电路被广泛应用于该要求中，该保护电路可以在电子设备输入电压过高时，把输入电压箝位到一个安全的输入范围内。文中利用MOSFET的这一特性，对满足GJB181中输入28.5 V直流的供电体制的过压浪涌（80 V/50 ms）保护电路进行了设计、分析和验证。并对满足输入115 VAC/400 Hz的过压浪涌 （180 V/100 ms）的设计电路进行了介绍。

GJB181-86中要求过压浪涌时设备不发生任何故障。但对于不同的机载设备，不发生任何故障的定义不同。例如对于一些设备，无故障视为不损坏，但对于一些要求比较高的设备，要求在过压浪涌过程中必须正常工作（例如如军用计算机），以防数据丢失。文中介绍一种可在过压浪涌过程中保证用电设备正常工作的电路设计。

1 MOSFET的介绍

金属氧化物半导体场效应管[1]（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor， MOSFET）。 它是由金属、氧化物（SiO2或SiN）及半导体3种材料制成的器件。所谓功率MOSFET（Power MOSFET）是指它能输出较大的工作电流（几安到几十安），用于功率输出级的器件[2]。

MOSFET 共有 3 个脚，一般为 G、D、S，通过 G、S 间加控制信号时可以改变D、S间的导通和截止。它的栅极-源极间电阻很大，可达10GΩ以上[3]。功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、噪声低、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点[4]。目前，功率MOSFET的指标达到耐压600 V、电流70 A、工作频率100 kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用，又因其集成化是工艺简单，可以使功率变换装置实现高效率和小型化。

2 GJB181过压浪涌要求介绍

浪涌：由电源系统的自身调节及调节器的校正作用所引起的某一特性偏离受控稳态值的变化。

过压浪涌要求：用电设备应经受5次过压浪涌，每次过压浪涌间隔的时间为1 min[5]。

过压浪涌方法：首先使用电设备在正常稳态下供电，然后使正常用电设备输入电压增加到标准要求的电压（80 V），最后输入电压恢复到正常稳态电压。

过压浪涌后设备不应发生任何故障。

3 电路设计

设计框图如图1所示。

图1 设计框图Fig.1 Schematic diagram of the design

电路原理介绍：该DC-DC转换模块输入最高电压为40 V DC，本设计中的箝位电路将U3设定为36 V左右。按照GJB181中B类供电设备要求，正常输入范围为25～30 V，当输入电压低于设定值U3时，MOS管V1处于导通状态，电源正常工作。当输入电压高于设定值U3时，V1处于箝位状态，此时N1输入端电压U2=U3-UG-S（处于箝位状态时，UG-S电压只有0.3 V左右），因U3设定在N1正常工作范围内，所以此时电源可以正常工作。基于上述原理，当机载设备输入过压浪涌80 V/50 ms时，后端用电设备的输入电压被箝位在U2=U3-UG-S，因U3在设备的正常工作电压范围内，从而可以保证后端用电设备的正常工作。

主要参数选择：

MOSFET 导通状态时：

MOSFET实际最大耗散功率：

式中：RDS（on）——MOSFET导通电阻

电路试验：

1）电源在正常工作条件下，MOSFET处于导通状态时：

①试验条件：输入U1为额定28.5 VDC；输出功率按10%额定功率、50%额定功率、额定功率3种情况进行测试；测试中I1由电流表测得，U2由万用表测得，本设计中MOSFET导通电阻 RDS（on）为 60 mΩ。

②试验结果：试验结果如表1所示。

表1 正常工作时U2的电压值Tab.1 The voltages of U2 in normal state

从表 1 中可以看出，U2=U1-（I1×RDS（on）），与公式 2 相符合。

2）当输入有过压浪涌，MOSFET处于箝位状态时：

（在实验室模拟浪涌情况，因模拟开关的时间误差，每次浪涌的时间会有差别，该实验中保证每次浪涌时间不低于 50 ms）：

①试验1：测试输入过压浪涌时，输出电压的变化情况：

试验条件：输入为28.5V，输出各路为额定负载。示波器通道1接输出5 V，示波器通道2接输入，过压浪涌为80 V/53 ms。

试验结果：测试波形如图2所示。

图2 过压浪涌时U1、U o波形图Fig.2 Waveforms of U1 and U o of overvoltage surge

从上图中可以看出，当输入过压浪涌时，电源输出5 V保持不变。此项试验证明在输入过压浪涌状态下，由于过压浪涌保护电路的作用，电源输出正常，电压后端设备能正常工作。

②试验2：测试输入过压浪涌时，U2的变化情况

试验条件：输入为28.5 VDC，输出各路设定为额定负载。示波器通道1接DC-DC转换器的输入端，检测U2，示波器通道2接电源的输入端，过压浪涌为80 V/60 ms。

试验结果：测试波形如图3所示。

图3 U1、U2波形图Fig.3 Waveforms of U1 and U2

从图3中可以看出，当输入过压浪涌80 V/60 ms时，DC-DC转换器输入保持在设定值U3，为36 V，从而保证了DC-DC转换器的正常工作。

4 设计扩展

4.1 如何提高产品可靠性

1）在该设计中，除选择满足要求的高可靠性的器件外，MOSFET的散热是关键。在设计中，应保证MOSFET散热良好，并固定牢靠。在本设计中采用MOSFET紧贴机壳的传导散热方式，并通过螺钉使MOSFET与印制板、机壳固定牢靠。

2）在设计时，应根据实际负载情况计算MOSFET的最大功耗（式3），并保证 P≤PD（PD为MOSFET能承受的最大功率）。

3）当单只MOSFET功率降额不满足要求时，可以采用MOSFET直接并联的方式增加该保护电路的使用功率[6]。

4.2 在其他输入种类时的应用

当机载用电设备输入电压为115 VAC 400 Hz时，该电路输入接在整流滤波电路之后，通过改变箝位电路中箝位电压U3的设定，并选择更高耐压的MOSFET，可使该设计满足交流供电设备180 VAC/100 ms浪涌时，设备正常工作的要求。

5 结 论

通过理论分析和试验测试及在实际机载电源的应用中可以看出，此保护电路的设计完全可以满足GJB181-86《飞机供电特性及对用电设备的要求》中的两种不同供电体制下对过压浪涌的要求，通用性强，通过设定不同的电压检测值U3及选用相应耐压的MOSFET，可适用各种输入的用电设备，大大提高了机载设备的可靠性，并保护了后端用电设备的安全。该设计电路已被广泛应用在机载用电设备的保护前端。

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科学出版社，2000.

[3]孙肖子，谈文心.电子线路基础[M].西安:西安电子科技大学出版社，1996.

[4]张庆双.555应用电路精选[M].北京:机械工业出版社，2010.

[5]王红霞.GJB181-86飞机供电特性及对用电设备的要求[S].北京：国际科学技术工业委员会，1986.

[6]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社，1999.