短路保护和浪涌抑制电路的结合

黎 雁

(贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550008)

1 研究背景

近年来，随着装备系统的复杂化，电源供电支路越来越多，其供电结构如图1所示。由于多个用电设备共用一条输入母线，任何一个用电设备端造成的短路故障都会导致母线供电异常，从而影响所有设备的正常使用。另外，在每一个用电设备开机的过程中，由于每个供电支路的输入端会设置EMI滤波电路，其中有大量滤波电容，开机时电源对滤波电容进行充电产生输入浪涌电流，从而对供电母线造成冲击[1]。

图1 系统供电结构

为保证系统的正常工作，每个供电支路应互不干扰.当某个供电支路由于设备或线缆原因造成供电短路时，该支路应不影响其他支路产品的正常工作以及不会对输入电源产生影响，且当短路故障消除后，电路能恢复供电[2]。本文提出了一种基于场效应管器件的浪涌电流抑制电路及短路保护电路，该电路具有抑制电源加电瞬间浪涌电流、在某个支路故障引起短路时保护供电母线、保证其他支路正常工作以及在短路故障消除后能自动恢复对负载设备供电的能力，对于提高系统供电的可靠性和安全性具有重要意义[3]。

2 浪涌抑制电路设计

电源的启动浪涌电流主要是因为给电容充电引起的。当输入电压恒定时，启动电流的大小与电容量以及输入电压变化率由电路特点决定，无法减小，只能通过减小输入电压的变化率来实现[4]。减小输入电压变化率有有源电路和无源电路两种方案。根据电流浪涌的要求，无源电路已不再适用，必须采用有源电路。通常采用PMOS或者NMOS作为开机浪涌功能器件，利用MOSFET可作为可变电阻的特性来抑制浪涌电流。

采用PMOS或者NMOS其原理大致相同，都是通过设计专门的RC电路来控制MOSFET的栅极电压，从而实现通过控制MOSFET漏极和源极之间导通情况来控制浪涌电流。采用PMOS时，MOSFET串接在供电正线上，采用NMOS时，MOSFET串接在供电回线上[5]。

在本文中，采用n沟道MOSFET的浪涌抑制电路如图2所示。当输入端加电时，MOSFET漏源两端建立电压，但是由于电容Cl两端电压不能突变，MOSFET的栅极电压被钳位在0 V，漏源截止。随着电容Cl两端电压UC1的升高，MOSFET栅极电压逐步升高，当UC1达到Ql的开启电压后，Ql从截止状态过渡到放大状态，漏源两端也逐渐导通，其特性相当于一个阻值不断减小的可变电阻。电源通过Ql给后端设备输入端的电容进行充电，浪涌电流得到抑制[6]。当UC1电压值达到使Ql饱和导通的电压值时，Ql饱和导通，成为一个小电阻，电路进入常态，用电设备获得稳定的输入电压。

图2 采用n沟道MOSFET的浪涌抑制电路

3 短路保护电路设计

从图1的供电结构图可见，对于任何一个用电设备，当在负载端出现短路故障时母线的输入电压将被拉低，影响其他设备的供电，所有用电设备均不能正常工作[7]。一般情况下，为防止系统的单机短路故障对母线的影响，会在单机所在支路上串联保险丝。当电路发生故障或异常时，随着电流不断升高，保险丝会在电流异常升到一定的高度和一定的时间时自身熔断，切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。保险丝保护电路简单，但是在保险丝熔断后其后级的电路也因此和母线永久断开，即使后级电路的故障已经排除，电路也不具备自恢复能力[8]。在对图2 的电路进行改进后，得到图3所示的带有短路保护功能的浪涌抑制电路。在图3所示电路中，相比图2增加了辅助电源电路、采样电路以及保护锁定电路。

图3 加入短路保护功能的浪涌抑制电路

3.1 辅助电源电路

辅助电源电路采用三端稳压电路实现，用于为采样电路和驱动控制电路的供电[9]。另外，三端稳压器还为采样电路提供基准电压Vref。三端稳压器选用JW7812，其电路如图4所示。

图4 辅助电源电路

3.2 采样电路

采样电路如图5所示，用于采集电路中的电流信号。正常负载情况下，由R11与R12分得的电压为正值，N1A的反向端电压为零，N1A的输出为低。当输出过流时，取样电阻R7上的压降增大，N1A反向端的电压值降低，当N1A反向端的电压值下降至0 V时，N1A输出过流保护信号QH。

图5 电流采样电路

3.3 保护锁定电路

保护锁定电路如图6所示，电路主要由CD4098单稳态电路实现。单稳态触发器的特点是在输入脉冲的触发下，其输出端产生一具有恒定宽度的矩形脉冲，此状态是暂时稳定的，经过时间t后又回到初始状态。时间t由外接电阻和外接电容调节，具有较宽的调节范围[10]。通过CD4098获得的脉冲展宽电路将过流信号的窄脉冲展宽，以锁定MOSFET的关断时间，避免过流保护时打嗝保护频率过高，使得MOSFET过热损坏。且由于经过t时间之后又回到初始状态，因此保护是可恢复的。

图6 保护锁定电路

电路的工作原理如下，采样电路得到了过流保护信号QH，QH信号通过单稳态触发器电路后输出QH1，QH1为QH的展宽波。由于过流时需要将负载从母线上断开，即需要关断Q1，此时需要将Q1的栅极电压调整为低电平，将过流保护信号反相后才能用于Q1的控制。通过增加1个MOSFET Q2，可以将过流信号控制逻辑进行反相。加入MOSFET Q2后，当产品正常工作时，采样电路输出信号QH为低电平，Q2截止，Q1导通，输入母线为后级电路提供电压。当后级电路出现短路故障时，采样电路输出过流信号QH为高电平，Q2导通，Q1的栅极通过Q2的接地，Q1截止，即模块检测到过流信号后，保护锁定电路将Q1的栅极置为低电平并保持一段时间，该段时间即为保护动作锁定时间。锁定时间结束后，保护锁定电路释放Q1的栅极，Q1重新导通，电路重新启动，如果导致过流故障的负载一直接在电路中，那么产品将处于导通到保护交替的循环中。

4 实验结果

对上文的电路进行实验验证，在输入28 V直流时，将电路的输出端通过开关强制短路，得到实验波形如图7所示。在图7（a）中C1和C2分别为QH和QH1的波形，图7（b）中C1为采样电阻两端的波形，C2为QH1波形。由于输出被短路，电路进入了打嗝保护模式，因此过流保护信号QH为一组频率恒定的窄脉冲，QH1为与QH同频率但占空比更大的展宽波。由于QH高电平时（过流时）Q1断开，采样电阻两端的电压为0 V,当QH为低电平时，Q1将缓慢导通，回路中的电流逐步增大，采样电阻两端的电压缓慢上升。因此，采样电阻两端的电压波形与QH和QH1同频反相。采样电阻两端的电压最大值为0.37 V（图7（b）中C1的脉冲幅值），持续时间约为1.7 ms（图7（b）中C1的脉冲宽度），由于采样电阻的阻值为0.1Ω，因此可知浪涌电流的为3.7 A（0.37V/0.1Ω），持续时间1.7 ms，产品的浪涌抑制功能得到验证；此时，通过电流表测得的输入电流为0.1 A，产品短路保护功能得到验证。

图7 实验波形图

5 结 论

针对复杂装备系统多支路电源供电的可靠性和安全性问题，本文提出了一种解决方案。通过在每一个供电支路前端加入一个短路保护和浪涌抑制结合的电路，解决了各支路开机时的浪涌电流问题，同时使得支路负载出现短路故障时，保护供电母线不受影响，而且其他支路依然能够正常工作。在故障支路的故障排除后，该支路能够自动恢复供电，提高了系统供电的可靠性和安全性。