电台电源综合监测保护设计﹡

廖志强

0 引言

电源模块是专用通信设备正常工作的基础部件[1]。目前，便携式电台通常使用锂电池供电，车载、机载、舰载以及固定台站电台通常使用直流电源供电。文中涉及的电源综合监测保护技术仅针对电台内部供电系统的保护，同时兼顾对电池或者直流电源的保护。电源的保护设计不仅对电源本身工作的安全性可靠性十分重要，对保护后续的主体电路也至关重要。电源保护的种类很多，包含防雷击保护、过压保护、过流保护、过热保护、欠压保护、极性保护、程序保护、缺相保护等等。在本设计中，根据实际应用设计了过压保护、过流保护、欠压保护、静电放电（ESD，Electro-Static discharge）保护、极性保护等多种防护措施，共同组成电台电源综合监测保护系统，可靠地满足了电台严苛的应用。

1 电台电源综合监测保护原理设计

过电流保护包括短路保护和过载保护。短路保护的任务就是必须把短路造成的危害限制在最小程度，并且在数毫秒内检测出来并分断短路电流。短路电流流过导体与设备元件时会产生不良的热效应与电动力效应。过载保护的任务是必须允许正常工作的过载电流，但是当超过允许过载时间之后，就必须分断电路。过载电流会使设备元件超过允许升温，缩短其寿命[2]。电台内部各模块电路板是由各种芯片和分离器件构成，瞬间高压对元器件的损坏巨大，因此过压保护电路也是必要的。欠压工作情况下也会给线路和电器设备带来损伤，因此欠压保护电路也要加上。此外还有一些必要的如ESD防护、机械开关的控制保护等。

电台电源保护电路框图如图1所示，整个保护系统形成闭环，在故障出现的第一时间可快速自动切断电源输出通道，从而有效地保护电台主体电路，同时也有效避免给锂电池或者直流电源带来的危害。

图1 电台电源保护电路框

从图 1可以看出有两个过流保护，一个是电源输入的过流保护，对整机电流进行限制保护，另一个过流保护主要是针对电台主体电路的动态工作电流进行监测并保护，这是实时动态监测，要求精度高，因此选专用的电流检测芯片来实现。

2 电台电源综合检测保护设计

2.1 电源入口保护

电台使用锂电池时，电池连接的过程存在电压波动，也存在ESD风险。此外，电台电源输入端口处存在电压高、电流大的特点，因此对电源接口处的保护是必要的。图2是电源入口保护电路的详细设计。

图2 电源入口保护电路

由于电台使用中遇到过流情况时，需要及时切断电源，因此这里选用动作时间最快(快速保险丝可在0.001 s内断开)的熔断型保险丝（即一次性保险丝），其内阻均忽略不计。而自复保险丝的内阻必须考虑，工作电流越大，自复保险丝相应的电损耗越大，相应的热噪声越大，散热不良累积的热可能造成误动作，因此电源输入端使用熔断型保险丝是最好的选择。为防止反接电源造成危害，因此接地也使用了相同的一次性保险丝。

静电放电(ESD)将给电子元器件带来损伤，引起产品完全失效和潜在性失效[3]。这里采用基于齐纳击穿原理但能对瞬间高尖峰电压或电源的浪涌电压起抑制作用的瞬态电压抑制二极管[4]，也称TVS管(Transient Voltage Suppressors)来实现。它的实用特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平，其响应时间目前最快的可做到10-12s，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平。TVS是目前国际上普遍使用的一种高效电路保护器件，广泛用于防雷击、防过压、抗干扰、吸收浪涌功率等。

2.2 机械开关控制与基准电压

机械开关具有安全、保险、可靠和抗振的特性，因此它成为电台电源开关的必选。在本设计中，机械开关仍是控制电源通断的主要手段，但将其处理为微弱的放电通路，有效地避免了常规的直接控制高电压大电流带来的安全隐患。基准电压是辅助电压，只能由输入端口电压经过处理得来，基准电压的精度直接关系到这些系统的总体性能[5]。常见的设计方式是采用基准电压芯片（如 MAXIM，TI，LINEAR等有很多基准电压芯片），相对而言其输入范围有限，输出基准种类较少，成本较高。稳压二极管的特点是内部电流在很大范围内变化而其两端电压可以近似保持不变[4]，这里充分利用了这个特性来实现基准电压，其电压值精确，种类繁多，成本低廉，电路简单。具体的电路如图3所示。

图3 机械开关控制与基准电压

在本设计中，机械开关闭合为关机，悬空为开机。这种设计在开机之前人体先有效的和地短接进行静电放电，再断开开关，整个过程人体均有效的和地短接，从而有效的消除了人体静电带来的危害。缺点在于关机状态下有一个稳定的放电通路：图 3中的1号通路。关机的放电通路由普通的高压二极管和高阻值电阻，开关共同组成 (防止电源板一直处于高压状态，产生安全隐患)，放电电流约50 uA(远小于锂电池的自放电率)。同时防止从开关传入的静电或者其他串入的电压倒流影响输入电压。图3的4号通路上有两个单向TVS管，起稳压作用和ESD放电的作用。机械开关悬空时，4号通路的稳压管产生VGS从而使MOS管导通，3号通路进而将2号通路的MOS管导通，从而产生关键的辅助电压V2。由V2产生整个电源板所需的基准电压以及产生过压保护、欠压保护﹑过流保护所需的工作电压，控制总电源软开关电路所需的工作电压。

V2通过高值电阻后并接一个2.5 V的高精度稳压二极管和一个滤波电容，产生基准电压2.5 V。这个基准电压是后面一系列保护电路的基准电压。

V2通过 LR645N8产生保护电路的工作电压+10V_REG。由于工作电流小，因此选用很常见的SMPS(开关模式电源)，其输入范围很大（一般可达100 V以上），是小电流二次电源的理想选择。

2.3 过压欠压过流保护

低压保护电路、过压保护电路未采用常规的专用电压保护芯片来实现而使用常见的运放来实现。其工作原理是对需要检测的电压采用电阻分压的方式采样，再与基准电压比较，从而输出控制信号。过流保护也采用这种方式来实现，电流采样信号由电流检测芯片提供。这种方式只需改变配置电阻，就可以实现对各种电压的监测，不仅可以用作过压欠压保护，也可以对模拟信号进行监视，还可以作为报警控制信号来使用。其可靠性高，成本低廉，应用广泛。整个电路如图4所示。

图4 过压欠压过流保护电路

运放选用 ON Semiconductor 的宽输入单电源低功耗集成运放 LM2901，单芯片包含四路运放单元[6]。设计中各单元分别实现欠压保护电路、过压保护电路、过流保护电路。基准电压为 2.5 V(图 3的稳压二极管产生)。欠压与过压保护电路均对V2(图 2产生)进行采样。通过电阻的配置来设置保护电压值。这里根据锂电池的参数来进行配置。

过压保护电路的电压采样输入端在运放正极，一旦达到过压值34.1 V，运放输出为高，过压通道的MOS管导通，电源开关控制信号PW_SWITCH变低，从而关断电源开关。欠压保护电路的采样输入端也在运放正极，正常情况下输出为高，一旦电压值达到17.5 V，则输出变低,从而使MOS管截止，从而触发晶闸管开关，使电源开关控制信号 PW_SWITCH变低从而关断电源开关。过流保护采样电路输入在运放负极，根据电流检测芯片在过流时的输出信号幅度对2.5 V的基准电压进行分压以作比较，过流时触发保护过程与欠压保护过程完全一致。三个保护电路只要触发一个，就会将开关控制信号PW_SWITCH拉低，使图5的电压输出MOS截止，从而关掉主体电路的电源输入。

这里值得注意的是由于电阻值与标称值的偏差会导致保护电压有所偏差，因此在选择电阻时尽量选择高精度的电阻（最差也要选F精度），此外根据电阻的偏差范围可以进行细微调整，适当将保护电压值提高或降低一点，以更好地保护电路和电源。

2.4 电源开关与电流检测

由于本设计中机械开关并未直接控制电源的通断，这里利用功率MOS管的耐压耐流以及良好的开关特性来实现对电源的控制。同时增加极性保护设计、防倒流保护。电流检测根据实际使用情况采用专门的电流检测芯片，其输出电压信号显示过流情况。详细电路如图5所示。

图5 电源开关与电流检测

3 结语

电源保护设计在所有的电路系统中都存在，对线路板的保护作用不可忽视，对电池的保护也是显而易见。本设计采用综合检测保护技术，整个保护链路形成闭环，由硬件自动完成。电源保护处理速度取决于集成芯片和MOS管的物理开关速度，速度快（ns级），可靠性高，性能和成本均远优于常规的程序控制保护电路。电台电源设计中采用电阻分压方式对源电压进行过压检测与欠压检测，采用相同的电路架构对过流信号进行检测。在具体的电源保护试验中，在过流、过压等情况下，该系统均能快速可靠切断电源；欠压时也能快速切断电源；如果一直处于欠压状态，则无法开机。经过大量的试验验证，该保护系统可自动快速精确的完成对电源的各种异常状态的保护，系统运行稳定可靠，达到了设计目的，满足使用要求。

[1] 程元俐,曹琪.专用通信设备电源模块自动测试系统[J].通信技术,2005,增刊：184.

[2] 郑铭芳.低压电器选用维修手册[M].北京：机械工业出版社,1995：59.

[3] 毕克允. 微电子技术—信息化武器装备的精灵[M].北京：国防工业出版社,2008：317.

[4] 杨兴瑶,汤光华.电子线路—概念理论与应用[M].北京：化学工业出版社,2008：75,77.

[5] 张京英,吴建辉.一种带隙基准电压源的设计[J].通信技术,2009, 42 (10）：219.

[6] ON Semiconductor datasheet .LM2901[M]. [s.l.]:Semiconductor Components Industries,LLC,2007:1.