一种简单可靠的机载功率驱动电路设计

范新明 陈亚玲 张宇坤 郭建奇

摘要：飞机机电系统中存在大量的功率继电器和接触器，机载计算机驱动这些负载需要功率控制装置和过流保护装置。传统的驱动和保护电路设计，使用机载断路器或小型继电器加熔断丝实现。断路器和继电器本身存在机械动作次数有限，响应速度较慢，平均寿命较低的缺点。近些年出现的固态功率控制器，通过反延时保护算法，实现了过流保护的快速控制。但固态功率控制器需软件实现反时限保护算法，硬件电路实现较复杂，降低了产品的可靠性。针对此问题，该文基于电流控制器芯片，采用MOS管实现功率驱动和过流保护，该电路结构简单，可靠性高，过流保护时间可调。经试验验证，该电路能够很好地实现功率驱动和过流保护，具有重要的应用价值。

关键词：功率驱动;过流保护;结构简单;可靠性高

中图分类号：TH134        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）03-0230-02

Abstract： There are a large number of power relays and contactors in airborne electromechanical system， airborne computers drive the loads need power control devices and overcurrent protection devices. The traditional methods use circuit breakers or small relays with fuse. Both circuit breakers and relays have limited action times， slow response speed and short service life. The Solid-State Power Controller （SSPC） realizes fast overcurrent protection with the inverse time algorithm. However， the inverse time algorithm needs software and complicated hardware circuits， which decreases products reliability. In order to solve this problem， this paper adopts MOS-FET to realize power drive and overcurrent protection based on current controller chip. This scheme has simple circuit structure， high reliability and configurable overcurrent protection time. The experiments show that designing circuit can realize the power driver and overcurrent protection and it has important application value.

Key words： power driver; overcurrent protection; simple Structure; high reliability

機载机电系统中存在大量的功率继电器、接触器和活门等功率装置，机载计算机驱动这些继电器和接触器需要功率控制装置和过流保护装置[1-2]。传统驱动和保护电路，使用机载断路器或小型继电器加熔断丝实现，基本可以满足驱动和保护功能。但是这种实现方式的保护动作时间一般大于1ms，如果电路中的瞬态电流过大，将损坏机载计算机本身和后级控制电路。近些年，随着固态功率控制器的出现，通过反时限保护算法，实现了将过流保护动作时间缩短到微秒级别，但是这种固态功率控制器需软件实现反时限保护算法，硬件电路实现较复杂，降低了产品的可靠性[3-5]。本文针对以上问题，基于电流控制器芯片和MOS管，实现了功率驱动和过流保护功能。该电路结构简单，占用板面积小，过流保护时间可调，在实现功率驱动的同时，能够很好地保护自身电路，可靠性和安全性高。

1 电路结构

驱动电路结构见图1。

控制信号由FPGA输出，经总线隔离器后输入到电流控制器芯片，当控制信号为高时，控制MOS管导通，输出28V。同时，通过采样电阻R4检测通路上的电流，当通路上的电流或者施加在MOS管上的功率超过预先设定的值时，过流保护功能开启，待保护时间达到后，彻底关断MOS管，关断输出。此外，通过对IMON信号、#PG信号和#FLT信号的采集，可以实现对通路电流、电源状态以及跳闸状态的采集。

2 电流控制器工作原理

本文基于电流控制器实现功率驱动和过流保护，该芯片具有14个引脚，采用电荷泵利用N-MOS实现高开输出，它是一种恒功率控制芯片，具有功率保护点和电流保护点两个保护点，其功率点、电流点和保护时间都可以进行预先配置。电流点用来实现在设定电流处实现保护关断，当检测到通路上的电流大于保护电流时，将电流维持在电流保护点对保护时间设定处的电容进行充电，电容两端电压充到4V时，将输出关断。电容的充电时间即为过流保护时间。功率点用来保护N-MOS器件不被烧坏，当检测到N-MOS的功耗大于设定的功率时，将功率限制在设定的功率点。电流控制器芯片检测通路上的电流，根据电流控制MOS管GS之间的压差，实时动态的在调整MOS管的导通阻抗，从而控制通路电流处于一定值。当正常导通时，GS之间压差比较大，MOS管工作在饱和区，其导通电阻很小， MOS管DS之间压差很小，其本身承受的功率也很小。当保护时，GS之间压差比较小，其处于似通非通状态，MOS管工作在可变电阻区，MOS管导通电阻比较大，通过MOS管电阻的变化来限制通路电流。由于其处于可变电阻区，在保护时MOS管本身承受的功率比较大。当MOS管本身承受的功率比较小时，电流超过电流点时，会触发保护，电流控制器芯片将通路电流限制在电流点，待保护时间满足后，关断输出。当MOS管本身承受的功率比较大时，超过了预先设置的功率点，此时电流控制器芯片将MOS管的功率限制在功率点，可以保护MOS管不被烧坏。

3 参数设计

某飞机传感器配电接口要求如下：正常配电时输出电压为28V，驱动电流不小于0.1A，当通路电流超过额定电流9倍时，接口应自锁短路保护，保护时间为200±50μs。

针对该需求，采用电流控制器芯片，设计如下：

1）电流点设置：驱动电流不小于0.1A，9倍过流即0.9A时需要进行过流保护，即电流点为0.9A，则

根据标称电阻值，选取一个30 mΩ和一个23mΩ的电阻串联，则实际电流点0.943A，可以满足实际使用需求。

2）保护时间设置：保护时间的设置跟引脚4端外接电容有关，参考器件手册，当外接电容为1.25nF时，保护时间为200us。

3）功率点设置：功率点的设置是为了保护MOS管，设置的功率点应该保证MOS管不被烧坏，应该在MOS管的SOA曲线之内。查MOS管的SOA曲线，选取功率点功率为20W。功率点的设置取决于3脚PROG端的电压，其公式如下：

则选取R2和R2分别为10KΩ和10KΩ，则

则实际功率为18.86W。电流控制器芯片属于恒功率控制器件，控制MOS管承受的功率，其计算方式如下：

在保护过程中，当VDS比较小时，通路电流会比较大，当VDS比较大时，通路电流会比较小。保护过程中，通路电流最大为电流点电流。过流保护时，MOS管VDS压降小，因此将电流限制在0.943A。当外部负载短路接地时，此时MOS管VDS压降为28V，会触发功率点保护，此时将电流限制在18.86/28=0.637A。不管过流保护还是短路保护，当保护时间满足后，彻底关断输出。

4 实验结果

针对设计的电路，采用电子负载进行试验，其实验连接图如下图所示。上电后，先让输出通道输出高，暂不接通电子负载。将电子负载调整为恒流模式，将通路电流设为1A，然后再将电子负载接通，在接通的瞬间，电路进行了保护，其实验结果如下图所示。

黄色线条为4引脚TIMER端电压，蓝色线条为输出电压，粉色线条代表通路电流。由上图可知，上电后通道首先输出，输出端电压为28V，当电子负载接通的瞬间，检测到通路电流大于电流点电流，即启动了保护。在保护的过程中，给TIMER端电容充电，当TIMER端電压达到4V时，关断输出。在整个保护过程中，通路电流一直维持在电流点，实测约为0.925A，保护时间约为220us。实测保护电流和保护时间与设计指标基本一致，可以满足实际使用需求。

上图为过流保护图片，上电待通道输出后，直接将输出接地，即可触发短路保护，其图片与上图基本一致，区别是在保护过程中的电流大小。短路保护时触发功率点保护，经实际测试，在保护过程中，将电流限制在0.62A，保护时间与过流保护时间一致。

5 总结

本文设计的功率驱动电路，结构简单，占板面积小，驱动能力满足要求，能够实现过流保护和短路保护。经实际测试，各项指标可以满足系统实际使用需求，具有一定的工程应用价值，可以进行一定的推广应用。

参考文献：

[1] 章鹤，艾铁柱.基于CPLD的功率输出自测试及保护技术研究[J].设计与研发，2017，18（7）.

[2] 艾铁柱，王寅.具有短路保护功能的机载功率控制装置设计[J].电子科技， 2013，26（7）.

[3] 叶雪荣，郑志洪等.固态功率控制器国内外发展现状[J].电器与能效管理技术，2015，2（6）.

[4] 潘江江，李海伟等.基于SSPC模块化小型智能配电器设计研究[J].电子测量技术，2016，39（10）.

[5] 周星星，孙丹丹.固态功率控制器在飞机电气改装中的应用[J].设备管理与改造，2017，30（3）.

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