机载电子设备欠压供电电路设计

熊光虎

（中国人民解放军77123部队，四川绵阳，622669）

0 引言

我国航空事业的飞速发展，推进了歼击机、无人机等航空器的更新和发展，大量的机载电子设备被投入到应用当中，各类机型的性能都实现了很大提升。电源是机载电子设备的动力源头，电路的设计对整个设备的应用都会产生重大的影响。从现有的电源保护情况来看，其电路保护的情况，普遍在功能性上表现出较为单一的特点，并且使用的器件数量也比较多，想要实现多功能的保护，必须要将电路设计作为关键性内容，对瞬时断电后的设备工作情况进行关注，保证其时刻处于不中断的工作状态，这也是机载电子设备稳定化运行的重要保障。

1 电路设计的基本思路

对于军用航空器的机载电子设备而言，其配电系统中不乏大功率的设备，比如大功率发电机，其启动和关闭、大功率负载或是突然开启和关闭，都造成电压的瞬时升高或下降，容易造成过压浪涌和欠压浪涌等瞬态电压[1]。想要各类机载电子设备都保持在安全、可靠的运行状态当中，需要对其电路设计进行优化。

对于机载电子设备而言，瞬时断电和欠压供电的情况都会给整个设备的正常运行带来不利影响，容易影响到航空器整体运行的安全性和可靠性。一般而言，为了对上述问题进行积极处理，可以采用两种模式来对电路进行设计[2]。第一种：利用储能元器件。此种方式是在电路中增加储能元器件，对其中所储备电能进行有效利用，来对瞬时断电或欠压供电环境下的机载设备问题进行积极处理，对其正常工作状态实现有效保证；第二种：利用升压元器件。此种方式是在电路中增加升压元器件，将处在瞬时断电或欠压供电问题的电子设备电压，升压至规定好的参数值当中，以此维持设备的正常运行状态，避免出现死机、短路等问题[3]。本文将重点放到第二种电路设计模式的介绍和分析当中，对升压元器件进行积极利用，以满足可靠性要求较高、安装尺寸和质量要求受限的机载电子设备的瞬时欠压情况，希望给我国航天器的机载电子设备发展的进步提供一定的参考。

2 具体的电路设计分析

在本次所介绍的升压元器件瞬时欠压供电电路设计中，过流保护电路、控制电路、瞬态电压抑制电路、滤波电路和DC-DC 转换电路都是其主要的构成元素[4]。该电路即使是处于瞬态8V 欠压供电的环境下，依旧可以满足不低于22 V的稳定供电，让电子设备时刻都处于不断电的运行状态当中，为军用航空器的机载电子设备的稳定性和安全性提供了重要的保障，其具体电路设计可如图1所示。

图1 机载电子设备瞬时欠压供电电路图

■2.1 过流保护电路设计

固态继电器是组成过流保护电路设计的主要内容，本次的电路设计采用固态继电器（型号JGC-7M-2Y）来实现对过流电路的保护。对于固态继电器电路而言，它有两方面的功能和作用：一是具备开关的功能。当图1 中的管脚所控制的电压处于＞3.6V的情况时，继电器会呈现出开启状。当管脚所控制的电压处于＜0.7V的情况时，继电器所输出的电流和持续的时间会表现为大于保护电流和保护延时时间的现象，使得继电器进入到过流保护的状态，其输出也会处在关断的状态当中，对保证电路的安全性和稳定性具有重要意义。

对于过流保护电路而言，其在机载电子设备中所发挥的作用也有两个方面的内容：一是在载机供电系统中可以发挥出保护的作用。电路过流现象容易给机载电子用电设备造成不良影响，使用固态继电器将其与载机做好隔离处理，能够在很大程度上减少不良影响的发生；二是能够起到维护设备安全性的作用。当机载电子设备出现过流现象时，一定要对供电电源做出及时的切断处理，最大程度地减少“过流”对用电设备所造成的损坏，提高设备的安全性和完整性，减少资源浪费问题的发生[5]。

■2.2 控制电路设计

本次电路设计中的控制电路设计，可以实现对电子设备输入电源的上电、下电实施有效控制和处理，从而实现控制固态继电器的功能。光耦器件是构成控制电路的主要器件，对其进行利用之后，能够对电源控制信号和外部地线与机载电子设备内部信号线和地线的连接做出隔离处理，在最大程度上减少对机载设备所产生的不良影响，保证设备处于不中断运行的状态当中。

■2.3 浪涌抑制电路设计

以相关规定作为主要的依据，但机载用电设备经受欠压浪涌时，其中每两次之间的时间间隔需要保持在1min，并且需要注意到直流用电设备的欠压浪涌，其数值为8 V/50 ms，该情况下的机载电子设备依旧需要处在正常的工作状态当中，不可出现中断工作的现象[6]。由此可以看出，浪涌抑制的电路设计是整个电路设计中非常重要的内容。因此，稳压模块也是实现浪涌抑制电路设计的核心内容，本次电路设计所采用的稳压模块（型号WPN-100S-N），降压功能电路和升压功能电路是构成整个模块的两个重要内容。其中降压功能电路是对射极跟随器的相关设计、功率开关器件的栅源压差进行利用，在输入的电压较设定值（36 V）高时，让其无法实现饱和导通，以此种方式来实现对输出电压的有效控制，避免对相关的用电设备产生损坏等问题；升压功能电路是对BOOST 开关进行利用，以此种方式来实现对的电路调整，在输入电压处于较设定值小的情况时，对该功能进行启动，从而保证输出电压处在不小于22 V的状态当中，以此种方式来将电压控制在稳定状态当中。

■2.4 滤波电路设计

电容与电磁兼容滤波器共同组成本次电路设计中的滤波电路，其在机载电子设备中所发挥的重要作用即对外部电磁环境与关联设备所产生的一些干扰性的信号，以保证航空器机载设备运行的精确性和安全性。

■2.5 DC-DC 转换电路设计

在对DC-DC 转换电路进行设计时，需要保证该转换电路在满足《飞机供电特性》和《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》所规定要求的基础上，还要实现多功能指标的小功率多路输出的功能需求[7]。以本次电路设计所采用的DC-DC 转换电路为，其输入电源控制在15 ～50V，输出功率为30W，以此来保证机载电子设备的多路输出。

3 电路试验和分析

■3.1 功能试验验证

在对机载电子设备欠压供电电路的功能进行试验时，可以采用功能试验的方式对其设计的效果进行一定的验证和分析。开展功能试验之后发现，利用稳压模块的升压模式可以为输入电源（8V）的机载电子设备欠压供电电路的后续工作提供足够有效的电压（22V）和电流（2A）的供给。稳压模块（WPN-100S-N）能够以设计要求为依据，为机载电子设备提供正常的工作功率，这说明以升压模式为基础的稳压模块电路设计，能够为欠压供电状态中的机载电子设备提供可靠性要求高且受尺寸、质量限制的小功率电路，在军用航空器的机载设备设计中具有非常高的推广性价值，对提升我国军用航空器电子设备的应用稳定性具有重要意义。

■3.2 关联试验验证

在对本次设计的电路进行试验时，可以采用关联试验的方式来对其进行验证。瞬时断电特性试验是本次试验的主要方法，如表1 中数据所示，当输入电源从8V 升至28V 及其以上，或从28V 瞬时降至0V，在间隔30ms、40 ms、50ms 和100ms 后瞬时上升至28V 及其以上，就很容易造成机载电子设备频繁死机的现象。出现这种现象的原因即稳压模块处于瞬时升压状态下会有较大的电流需求产生，并伴随着一定的持续时间，这种瞬态电流及其持续的时间都较前端过流保护值与过流保护状态大，由此导致死机现象。具体可见以下数据，详见表1。此项技术问题所造成的死机现象，容易给稳压器调节欠压供电的技术方式产生不良的影响，对其推广和应用造成一定的限制。

表1 欠压供电和瞬时断电试验数据

■3.3 试验问题分析

分析处理过流保护电路所导致的设备死机问题时，可以先使用排除方法来对元器件本身可能存在问题做好排除处理，再对设备的死机问题进行定位，最终将问题的原因归稳压器的电路设计当中，做出对问题的分析和处理。输入电流瞬时升压过程中的储能器件设备内的负载特性产生影响，致使其发生一定的变化，加之受到二者内部参数变化的影响，会给瞬时升压中充/放电功能的发挥产生不利的影响，进而产生“冲突性问题”，最终导致过流保护电流进入到过流保护的状态当中，出现机载电子设备的死机问题。方式来解决瞬时断电或欠压供电所致的死机问题；第二种是以第一种方式为基础，利用增大过流保护时间的方式来处理死机问题；第三种是对稳压器的电容或电阻值进行调节，使其激增电流值处于小于过流保护电流值的状态，激增电流持续时间处于大于过流保护延时时间的状态当中。

■4.1 对固态继电器的参数进行有效调节

在对过流保护的电流值进行调节时，需要将试验的数据作为主要的调节依据，将其与本次试验的固态继电器初始参数结合在一起来进行确定，主要有两个途径的调节方式。第一种即对内部的电阻参数值做升高处理，并高于比较器的正极电压值，让输出端电阻值不变。此时的继电器如果进入到过流保护状态当中，就需要增大输出电流，以此种方式来实现过流保护电流值的提升；第二种即对输出电阻值的参数进做降低处理，若继电器进入过流保护状态，就要增大输出电流，以此种方式来实现过流保护电流值的提升。简言之，过流保护电流值的调节需要将实验数据结合在一起，若瞬时激增的电流值处于过大的状态时，采用增大继电器过流保护电流值的方式来应对瞬时断电所产生的死机问题，会导致出现过流保护功能无法发挥的现象，由此可得该处理方式不是万能的，不适用过大的瞬时激增电流。

■4.2 对过流保护的延时时间进行合理调节

在对过流保护延时时间进行调节时，需要将试验数据作为主要的依据，将其与固态继电器的初始参数结合在一起来实施具体的调节工作。在开展相关的调节工作时，需要对几个方面的问题多加关注：当瞬时激增的电流持续时间达到秒级或以上的情况时，采用增加过流保护延时时间的方式无法让瞬时升压所致的死机问题获得良好的处理效果；当瞬时激增电流的持续时间是不超过100ms的情况时，实施调节过流保护延时时间的方式在处理瞬时升压所导致的死机问题，可以获得比较理想的技术效果。

4 问题和解决途径

将关联试验所验证的问题情况作为主要的依据，对所存在的问题进行合理的解决，共有三种解决途径。第一种是对保护器的电容、电阻进行调节处理，利用增大过流保护电流值的

■4.3 对稳压模块的参数进行有效调节

以图2的稳压模块内部原理图为例，将该图作为主要的依据，对电容 C1、C3、C4 和R2 值进行一定的调节，可以让Q1 在激增状态下的电流值及其持续时间得到一定的控制，使得输入电压的激增电流保持在小于过流保护电流值的状态，让激增电流的持续时间处于大于过流保护延时时间的状态当中，以此种方式来对瞬时升压过程中的死机现象进行有效的解决。总体而言，在电路设计中实施对电容 C1、C3、C4 和R2 值的有效调节，在军用航空器的机载电子设备的瞬时升压死机问题中可以发挥出重要的作用。

图2 稳压模块内部原理图

■4.4 小结

当机载电子设备输入电源处于阶跃模式时，对于过流保护电路器件和稳压模块因相互干涉而出现的死机问题，总共有上述三种处理措施。过流保护器件的设计需要将过流保护电流、过流保护延时时间参数作为重点，稳压器的设计需要对输入电压阶跃状态下所产生的激增电流值进行合理控制。

5 结论

总之，军用航空器的各类机载电子设备具有严格的要求，需要保证在各类状况下都保持处于正常运行的状态当中，并且需要达到规定的性能指标要求。为了保证军用航空器的机载电子设备在欠压、供电转换等中断性条件下都处于正常工作状态，需要对其电路设计进行优化。储能元器件和升压元器件的使用是常见的两种设计方式，为了更好地适应当下机载电子设备的高可靠性、尺寸小和质量轻的发展趋势，升压元器件的电路设计更具有优势性，将其作为机载电子用具的电路优化措施，对整个军用航天器的机载电子设备发展都具有重要的意义。