商业微纳卫星电源故障保护及恢复设计

崔宸赫， 宋诗斌， 王家豪， 黄鹤松

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590)

近年来，由于市场需求的迅速增长，商业航天得到了快速发展[1-2]。为降低成本，商用航天设备大量使用低等级器件，尤其是作为近几年发展热点的微纳卫星更为明显。微纳卫星具有造价成本低、设计寿命短、运行轨道低等特殊性[3-4]，因此，在微纳卫星设计中大量使用工业级、商业级等低等级器件，致使其应对空间复杂辐照环境的能力较弱。尤其是由高能粒子照射引起的单粒子闩锁效应会影响卫星电路的正常状态，严重时可能致使设备出现不可逆损毁，极大地影响了小卫星的可靠性和安全性[5-6]，另外，因芯片故障等造成的外部短路也会对微纳卫星的电源系统造成损伤，这对微纳卫星的电源管理提出了新的挑战。

单粒子闩锁故障是由于空间中高能粒子照射引起集成芯片内部产生寄生晶体管，导致芯片内部电源与地之间产生较大闩锁电流，影响芯片工作甚至引起芯片局部过热损毁的现象[7-10]，是造成星上电源系统过流的主要原因；另外器件损坏、线缆老化等引起的外部短路也会造成过流。现有的防护方法有电阻限流方法、恒流保护方法及电流检测方法等。电阻限流方法是在电路中串接限流电阻，以此达到限流的目的[6]，限流电阻会对电路状态产生影响。另外，该方式仅对电流进行限制，并未真正切断电流。恒流保护方法是当发生故障时，利用芯片的恒流保护功能使输出的电流恒定保持在低于阈值电流的水平，防止电路烧毁[11]。电流采样方法是对电路电流的采样监控，在发生电源系统过流故障时自动切断保护，并能自动重新接通电路。电流采样方法具有电路切断彻底、自动恢复电路状态、对电路影响小等优点[12-14]。

为提高低成本微纳卫星电源管理能力，提高电源系统的可靠性和安全性，提出了一种基于电流采样的微纳卫星电源防护及自恢复设计。本设计利用常用器件设计了一种结构简易、易实现的电源系统保护拓扑，该拓扑能够在发生过流故障时对电源系统实施保护，同时，能够在故障消除后自主恢复电路。提出的电源系统防护及自恢复设计在满足故障保护及恢复的基础上，具有电路拓扑简单，功耗低且对原电路影响小，成本低等优势，能够满足小卫星对低成本低功耗的要求。

1 电源防护及自恢复设计

1.1 基本原理

以某星上设备为例对电源系统防护及自恢复设计的原理进行阐述。图1 给出了设备供电部分的框图及防护设计基本拓扑。如图所示，母线电压为V，母线电压经熔断器、浪涌抑制电路及一次电源模块后转换为二次电源VCC。其中，Inhibit 端是一次电源模块的控制端，该信号有效时一次电源模块停止工作。而防护及自恢复设计通过采样电阻接入设备电路，采样电阻值一般较小，几乎不影响原电路状态。电源防护及自恢复设计通过采样电阻采集设备电流，对电路电流进行监控，并通过对一次电源模块的Inhibit 端的控制实现故障保护及电路恢复。

图1 系统结构框图

防护及自恢复设计的工作原理可以描述为：

(1)利用串联于电路中的采样电阻对电流进行采样及监控，当检测到电流小于预先设置的阈值电流时，防护电路设置DC/DC 的Inhibit 端为无效状态，电路无动作；

(2)当系统发生故障时，设备电流异常增大，采样电流超过预先设定的阈值电流，防护及自恢复控制电路使Inhibit 端输出有效，Inhibit 端有效时，电源模块停止工作，关断负载电路供电，防止故障电流损坏电路。

同时，防护及自恢复电路内部的定时模块进行计时，待预定设置的定时时间Δt 后，防护及自恢复电路设置Inihibit 为失效，重新启动一次电源模块。若系统故障状态仍未退出，则防护及自恢复电路再次工作，继续对电路进行保护；若故障已消失，则防护及自恢复电路成功将电路恢复到正常工作状态。

1.2 详细设计

图2 给出了电源防护及自恢复设计的功能框图。由图中可知，防护及自恢复设计包括供电模块、控制模块、定时模块、电流采样模块。

图2 防护及自恢复电路功能框图

供电模块对整个防护及自恢复模块供电；电流采样模块通过采样电阻对电路电流进行采样及监控；控制电路通过对电流大小的判断对电路的一次电源模块进行控制；定时模块用于防护电路启动保护后进行计时，在计时结束后通过控制模块对一次电源模块进行重启，尝试重新恢复电路工作。

图3 给出了电源防护及自恢复电路的详细设计方案。电流采集芯片通过采样电阻R0采集主电路电流I，通过电流采样芯片转换输出电流Iout，Iout与I 之间具有固定的比例关系，即Iout/I=c，其中，c 为常数。令Ith表示设定的故障阈值电流。

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图3 防护及自恢复电路详细设计

(1)当I ＜Ith时，Iout不能使三极管V2导通，从而使定时芯片的Trg 信号为高电平，定时芯片的输出端Out 的输出为低电平，通过三极管V1控制Inhibit 端无效，防护及自恢复电路无动作。

(2)当I ＞Ith时，Iout使三极管V2饱和导通，此时，定时芯片的Trg 端输出为低电平，定时器被触发并开始工作，定时器Out 端输出为高电平，使三极管V1导通，Inhibit 端有效，切断一次电源模块对电路实施保护。同时，定时芯片触发后开始计时，到达预先设定的计时时间后，定时器Out 端重新变为低电平，令Inhibit 端无效，电路重新接通。若此时故障仍未解除，则采集到的电流仍大于Ith，防护及自恢复电路再次工作，电路仍处于保护状态，直到故障解除。

1.3 理论分析

电源防护及自恢复电路是通过对主电路电流的检测实现故障检测和保护，具体是通过电流采集芯片控制三极管V2的截止和导通实现的。因此，在防护及自恢复电路不工作时要保证V2可靠地截止；防护和自恢复电路起保护作用的条件是，V2需要处于饱和导通状态。令Inorm表示主电路正常工作时的电流，Ith为故障阈值电流。

当主电路电流I=Inorm时，需满足：

式中：UB为三极管V2的基极导通电压；Rout为：

将Iout= cInorm带入式(1)，可以得到：

当主电路电流I≥Ith时，需V2处于饱和导通状态才能使防护及自恢复电路处于故障保护状态。此时，V2的基极电流可以计算为：

要使V2处于深度饱和状态，则：

即：

式中：β 为三极管V2的放大倍数；Uce_sat为三极管V2的C 与E脚之间的饱和导通压降。同时，V2的基极电压需要满足：

另外，设计中在电阻R6的两端并联了一个电容，使电流采集模块检测到异常增大的电流后，延迟一定时间(τ=R6C0)后防护及自恢复电路才起作用。这样能够在主电路出现上电浪涌电流尖峰或因设备特殊功能导致的宽度较窄的电流尖峰时，防护及自恢复电路不会误动作而错误地关断电路，通过调整R、C 参数，可以调整延迟时间。

由以上分析可知，电流检测芯片输出端口与三极管V2之间的电阻网络是影响防护及自恢复电路能否正常工作的重要因素，其参数选择的正确与否决定了防护及自恢复电路能否准确地识别电源系统故障并实施保护。

2 实验及分析

为验证设计的电源防护及自恢复电路的有效性，以某星上设备为实验设备进行了实测实验，增加了电源防护及自恢复电路，并且旁路了一路模拟负载通过继电器开关与设备相连，模拟星上设备发生过流故障时负载电流突然增大的情况。实验电路结构图如图4 所示。

图4 实验电路架构

2.1 故障防护测试

在设备处于正常工作状态后，闭合继电器开关K，将模拟负载接入电路中，模拟系统出现故障的情况。利用示波器观测Inhibit 端及一次电源模块端5 V 输出的电压波形，如图5 所示。由图5(a)可以看出，当电路发生故障时，Inhibit 端变为低电平，使一次电源模块断电进行电路保护；断电保护后，经定时器延时一段时间Δt[即图5(a)中两个脉冲间的时间间隔]，Inhibit 端变为高电平，尝试恢复电路，由于实验中模拟负载一直未断开，防护及自恢复电路重新工作，将Inhibit 端电平拉为低电平，使电路断电。由图5(b)的5 端电压波形也可以看出，由于故障一直未解除，5 V 电压刚刚建立，防护及自恢复电路就开始工作，切断电路。

图5 电源防护电路工作时波形

2.2 电源自恢复测试

在本实验中，首先令星上设备正常工作，将模拟负载接入到电路中一段时间后断开，模拟故障发生一段时间后消失的情况，并利用示波器电流钳检测28 V 端电流(即流经采样电阻的电流)的变化情况，如图6 所示。从图中可知，当发生过流故障时，防护及自恢复电路能够检测到异常电流变化并对电路进行断电，有效保护电路不受损坏，在故障未消除之前，防护及自恢复电路周期性地尝试重启电路；而当故障消失时，防护及自恢复电路使设备正常加电，恢复电路正常的工作状态。

图6 电源防护及自恢复时电流波形

2.3 防浪涌误动作测试

在本设计中，考虑到了浪涌电流可能导致误保护的情况，图7 给出了实验中星上设备的浪涌电流波形。在图3 中，三极管V2的基极端设置了RC 网络实现延迟保护，即将RC 网络产生的时间延迟τ=R6C0设置为大于浪涌电流的宽度，则当电路中出现宽度小于τ 的浪涌电流时，防护及自恢复电路不会进入保护状态，从而防止因浪涌电流造成防护及自恢复电路的误动作。

图7 浪涌电流波形

3 结论

本文提出了一种低成本微纳卫星电源系统防护及自恢复设计，实现了星上设备在发生过流故障时的保护及状态自主恢复，并通过实测实验验证了防护及自恢复设计的有效性。微纳卫星电源系统防护及自恢复设计提高了微纳卫星电源系统的可靠性和安全性，为微纳卫星电源系统智能化自主化管理提供了参考。