用于机载28VDC设备的冲击电流抑制电路

徐星星 吴振

（苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215015）

机载设备中通常存在大量的滤波电容以保证设备电磁兼容性能，滤波电容的增加会导致设备上电瞬间产生极高的冲击电流。过大的冲击电流不仅仅对电子产品本身具有较大危害，对供电系统供电质量也极具危害。因此如何抑制机载设备启动时产生的冲击电流已经成为机载设备设计时不可或缺的部分。本文在介绍冲击电流产生的原因及危害的基础上，简述了常见冲击电流抑制方法的优缺点，并针对某型显示器冲击电流超标问题设计了一种改进型浪涌抑制电路，对抑制结果进行了测量。

1 冲击电流产生的原因及危害

1.1 冲击电流产生的原因

电子产品中，冲击电流是指电源接通瞬间产生的大于产品额定电流的过载电流。机载电子产品中大量运用了AC/DC 电源或DC/DC 电源二次电源转换电路，这些转换电路通常采用高频调制技术，存在大量的开关频率噪声干扰，为了抑制这些干扰，产品中大量运用了滤波电容和滤波器，导致电源输入端必然存在一定的滤波电容，产品等效电路如图1 所示。

滤波电容通常都是低阻抗性质。因此产品上电瞬间，产品等效阻抗很低，上电瞬间，电容处于尚未充电的初始状态，电路接近短路，开关导通的瞬间必然产生很大的电流值。当电容充满后，冲击电流逐渐变小，最终达到稳定状态。

1.2 冲击电流的危害

冲击电流通常都是毫秒级以内，尽管时间不长，但是仍然会产生很大危害。冲击电流不仅仅对自身内部的保险丝、开关、PCB 线路等产生冲击，也会对供电系统造成冲击。例如对保险丝来说，即使保险丝降额设计符合国军标的降额准则，冲击电流也可能会造成保险丝熔断。若冲击电流偏大，保险丝就必须选用更高额定电流的熔断器，真正出现过载时熔断器不能熔断或不能及时熔断，因此过大的保险丝反而起不到保护作用。过大的冲击电流还可能会导致机载设备中继电器触点发生粘连，导致设备发生误动作。而多个机载设备系统同时启动工作时，经过叠加的冲击电流严重时可能导致输入电压发生波形塌陷，供电质量变差，设备输入端电压降低，造成系统崩溃。因此，冲击电流对可靠性要求高的机载电子设备来说，危害巨大。

2 冲击电流抑制常用方法

冲击电流的大小主要由输入电压大小和输入电路串联阻抗两方面因素决定。较高的输入电压和较低的输入电路串联阻抗均会导致产生相对较高的冲击电流。

2.1 传统冲击电流抑制法

传统冲击电流抑制法是采用大电感或者串联电阻来实现。大电感的抑制方法会导致电源的体积和重量增加，应用较少。串联电阻常采用负温度系数功率热敏电阻（NTC）。NTC 热敏电阻默认开机高阻态，对冲击电流进行抑制，毫秒级内温度上升后电阻值迅速骤降10 ～100 倍；断电后，随着自身的冷却，电阻值在几十秒左右逐渐恢复到标称功率电阻值。

NTC 热敏电阻结构简单，价格成本低，但存在一些固有缺陷。NTC 热敏电阻响应时间为毫秒级、断电后恢复时间为几十秒。快速开关机时，NTC 无法恢复高阻态，失去浪涌抑制效果。此外，NTC 热敏电阻阻值随环境温度变化而变化，无法使机载电子设备在全工作温度范围保持稳定的工作状态[1]。因此，在重量严格控制的机载电子设备中无论是大电感还是NTC 热敏电阻均无法可靠使用。

2.2 使用MOS管的冲击电流抑制法

图1：产品等效电路

图2：冲击电流波形1（实验室测试平台）

图3：改进型冲击电流抑制电路

图4：28V 输入电源时测试结果

图5：28V 输入连续上下电时测试结果

在机载设备中使用最广泛的冲击电流抑制方法为采用MOS 管辅助一些无源器件构成缓启动电路。其通过缓慢控制MOS 管栅极驱动电压，从而改变MOS 管的导通内阻，达到抑制冲击电流的效果。MOS 管是电压控制型器件，之所以能用于冲击电流抑制电路，是因为它具有以下特性：

（1）具有很快的开关速度，其开关速度取决于外围电容充放电的速度；

（2）开关过程损耗小；

（3）栅极驱动方式简单；

（4）导通电阻较低，在MOS 管导通状态下，导通压降也较低，一定程度上提高电源效率[2]。

3 某型显示器冲击电流实测结果

3.1 机上冲击电流限制要求

军用飞机供电特性GJB181B 中对冲击电流有明确规定：功率大于200W 的用电设备（白炽灯除外）在突然施加额定电压时，产生的冲击电流峰值应不大于额定电流的5 倍，并应在0.1s 内回到额定电流。

民用机载设备标准DO160G 中对需要考核冲击电流的设备规定，冲击电流的峰值应小于：开始的3ms 内，9 倍的最大稳态负载电流；3.0ms ～500ms 内，4 倍的最大稳态负载电流；500ms 到2s 内，2 倍的最大稳态负载电流，此后为额定值。

随着科技进步，无论是军机还是民机对冲击电流的要求都越来越严苛。

3.2 产品实测结果

某显示器上电瞬间冲击电流测量波形如图2 所示。冲击电流第一个周期为0.16ms，最大冲击电流为87A。

该显示器常温下供电电源为28V 时，额定电流为4.9A。该显示器供电特性要求中规定，冲击电流不能超过额定电流的6 倍，即显示器冲击电流不能超过29.4A。图2 表明该显示器冲击电流严重超标。

4 冲击电流抑制电路

4.1 电路原理

为了解决显示器冲击电流超标问题，现设计一款冲击电流抑制电路，其能确保产品快速上下电时也能起到冲击电流抑制作用。电路如图3 所示。

上电时，输入电源先通过R4 给C2 缓慢充电，使MOS 管V3的VGS电压缓慢上升，V3 缓慢导通，V3 的导通电阻由高阻缓慢变为低阻。V3 缓慢导通过程中，输入电源通过R5、V3 和R8 给电容C1 充电，从而控制V1 的VGS电压缓慢上升，使V1 缓慢导通，改变电源线上的阻抗，起到抑制冲击电流抑制的作用。当电容C2 电压达到稳压管VE2 的工作电压后稳定，V3 的导通内阻固定；当电容C1 电压达到稳压管VE1 的工作电压后稳定，V1 的导通电阻最终固定。

断电后，C2 通过R7 快速放电，V3 的栅极电压迅速下降，V3快速截止。V3 截止后，C1 通过R2 快速放电，V1 的栅极电压迅速下降，V1 快速截止。C1 电容容量远小于C2，C1 的放电时间远小于C2 的放电时间。此外，V1 的开启电压接近V3 开启电压的两倍。两级开启电压不同的MOS 管、不同容量等级的C1 和C2 确保产品快速反复上下电时，冲击电流抑制电路也能正常工作。

适当调节限流电路R4、R5、R8 和放电电阻R2、R7 的阻值，能使抑制电路在输入电源电压在9V ～100V 时均能正常工作。调节阻值可以使抑制电路适应不同的产品。

4.2 落实结果

将抑制电路落实到显示器内部，重新测试冲击电流。当供电电压为28V 时，冲击电流波形如图4 所示，冲击电流为16A，输入电流在5ms 左右恢复到稳态极限值内。连续上下电操作，冲击电流测试结果见图5。

图4 和图5 表明该改进型冲击电流抑制电路能很好的抑制冲击电流，即使产品快速上下电，抑制功能也不会失效。

为验证该改进型冲击电流抑制电路能满足显示器的全部性能要求，将落实抑制电路后的显示器分别进行了电源拉偏、过压浪涌和尖峰试验，试验过程中显示器均能正常工作。

该改进型冲击电流抑制电路在不影响显示器全部性能要求的前提下，解决了显示器冲击电流超标的问题，即使显示器快速连续上下电，电路也能正常工作。

5 结论

本文在简要介绍冲击电流产生原因、危害及常用解决方法的基础上，从某型显示器的实际冲击电流出发，提出了一种改进型冲击电流抑制方法。此方法有效避免了产品反复上下电时冲击电流抑制电路失效的问题，且适当调节限流电路和放电电阻能使该电路适用性更广。