CN104795807B - 一种宇航用高可靠性电流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宇航用高可靠性电流保护电路，由P沟道MOS管、电流采样电阻、过流保护电路、限流保护电路、延时电路及锁定电路组成。通过控制P沟道MOS管Q3的工作状态来实现电流保护作用；通过一个低阻值的电阻R1进行电流采样；通过PNP三级管Q1以及Q2的工作状态决定限流保护以及过流保护；通过电容C1、电阻R6、R7、R8、R9决定限流保护时间；通过NPN三极管Q4的工作状态决定锁定电路状态。具有限流保护10ms内可恢复、限流保护10ms后切断输入电流并锁定、过流保护直接切断输入电流并锁定的功能，且具有结构简单、可靠性高、损耗小、保护功能多样化等优点。

Description

一种宇航用高可靠性电流保护电路

技术领域

本发明涉及一种保护电路，特别涉及一种宇航用高可靠性电流保护电路。

背景技术

卫星在轨飞行期间，能量主要由太阳能电池帆板以及蓄电池提供，通过电源控制器将能量转化为稳定的母线电压输出。中、低轨卫星母线电压多为24V~42V，高轨卫星母线电压多为100V。卫星上用电单元通常不能直接使用母线电压进行供电，需要通过二次电源将母线电压进行转换，以保证用电单元正常工作。影响母线可靠性的主要因素为母线电流。用电单元或二次电源发生短路故障时，将对母线产生严重的影响，从而影响整星的可靠性。

短路故障可分为两种：可恢复型短路、不可恢复型短路。可恢复型短路是指断电后重新上电短路故障可消失或短路故障只持续很短的一段时间，通常是由于单粒子锁定、器件老化等问题引起；不可恢复型短路是指短路故障一直存在，通常是由于单粒子烧穿、器件失效、多余物等问题引起。

为防止短路故障对母线的影响，通常在二次电源输入端口使用保险丝作为过流保护。由于保险丝存在一定的熔断时间(几百μs至几十ms，与温度、电流大小及保险丝阻抗等因素有关)，因此保险丝在断开的瞬间会产生较高的短路电流(可达上百安培)将对母线或其它用电单元产生冲击，影响整星可靠性。对于可恢复型短路故障，保险丝一旦熔断将不可替换，从而使整星损失一部分功能电路。且根据ECSS相关标准规定，保险丝属于低可靠性元件，对其使用有较高的限制，因此保险丝不适合在高可靠单机中使用。

本文所提出的高可靠性电流保护电路响应速度快、可靠性高，并具有限流保护、过流保护、欠压保护以及指令可恢复等功能，结构简单、易实现。由于采用限流持续时间小于10ms内可恢复的保护方式，因此可以防止浪涌电流或其他原因造成的误动作。

专利CN1829031A“一种具有自恢复功能的短路保护电路”中描述了一种针对自恢复短路保护电路，通过检测误差放大器输出电压幅值判断是否处于短路状态，然后通过积分或者单稳态电路实现自恢复功能。优点是省略了电流检测电路，但是无法实现限流保护功能。专利CN102842883A“本安电源过流保护电路”中描述了一种可以实现本安电源在发生输出过流或短路故障的情况下，快速的彻底截断输出电流，限制电源过流或短路故障时释放的能量，故障解除时，具有自恢复功能的电路。优点是结构简单，但过流保护动作后无法实现锁定功能。

上述几种方法可以实现过流保护功能，但无法实现过流保护后锁定的功能，也无法实现限流动作持续一段时间后切断输入电流的功能。

发明内容

为了解决航天领域中保险丝可靠性低、在轨飞行中无法更换以及功能单一等问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、保护功能多样化、可恢复的宇航用高可靠性电流保护电路。

为达到上述发明目的，本发明为所采用的技术方案是提供一种宇航用高可靠性电流保护电路，包括：执行电路、电流采样电路、过流保护电路、限流保护电路、延时电路及锁定电路。所述的执行电路与电流采样电路、限流保护电路及过流保护电路联接，用于限制或切断输出电流，以实现限流保护及过流保护的作用；所述的延时电路与限流保护电路及锁定电路联接，用于实现限流保护持续动作10ms后关断执行电路的作用；所述的锁定电路与延时电路及过流保护电路联接，用以实现执行电路在保护后关断锁定，从而使其一直处于关断状态的作用。

上述的执行电路的功能为：通过使P沟道MOS管Q3工作在线形区以实现限流保护的作用，通过P沟道MOS管Q3工作在截止区以实现过流保护的作用。

上述的电流采样电路的功能为：通过一个低阻值的电阻R1将流过该电阻的电流转化为电压信号。

上述的过流保护电路的功能为：在出现短路故障时，通过过流保护电路直接使PMOS管Q3关断。

上述的限流保护电路的功能为：当输出电流Iout＞6A时，限流保护电路工作，通过使Q3工作在线形区将输出电流Iout限制在6A。

上述的延时电路的功能为：当限流保护电路动作后，延时电路开始工作，通过给电容C1充电以达到延时的目的。从而使限流保护具有保护持续时间小于10ms可恢复以及持续时间大于10ms后关断PMOS管并锁定的功能。

上述的锁定电路的功能为：限流保护持续时间大于10ms或过流保护启动时锁定电路工作，从而使PMOS管Q3一直处于关断状态。

本发明一种宇航用高可靠性电流保护电路由于使用了限流保护与过流保护相结合的方式，从而使得保护功能多样化，且有效的避免了浪涌电流、单粒子效应等引起的误动作，其有益效果主要表现在：具有限流保护、过流保护两种保护功能；限流保护具有对保护持续时间小于10ms可恢复以及持续时间大于10ms后关断PMOS管的特点，可以避免保护电路误动作；针对短路情况，过流保护直接关断PMOS管，不再进行延时判断；保护动作后一旦关断PMOS管，锁定电路可以锁定该状态，使PMOS管一直处于关断状态；具有电路断电后可恢复的特点；与保险丝相比，由于没有保险丝的熔断时间，因此响应速度快；温度对保护电路的影响小；功率损耗低；可靠性高。

本发明通过仿真分析和实际电路测试，达到了如下的性能指标：输入工作电压范围：18V～50V，限流保护点：6A±10%，限流保护时间：10ms±10%，过流保护值：14A±10%、响应时间：≤10μs，功率损耗：≤1%。

附图说明

图1 为本发明实施的电路原理图；

图2 为本发明锁定电路工作示意图；

图3 为本发明限流关断仿真波形图；

图4 为本发明限流恢复仿真波形图；

图5 为本发明输出短路仿真波形图；

图6 为本发明限流关断实测波形图；

图7 为本发明限流恢复实测波形图；

图8 为本发明输出短路实测波形图。

具体实施方式

本发明一种宇航用高可靠性电流保护电路，由于使用了限流保护与过流保护相结合的方式，从而使得保护功能多样化，且有效的避免了浪涌电流、单粒子效应等引起的误动作。下面结合具体实施例对本发明所阐述的一种宇航用高可靠性电流保护电路进一步加以阐述。

图1所示一种宇航用高可靠性电流保护电路的原理图，包括：执行电路、电流采样电路、过流保护电路、限流保护电路、延时电路及锁定电路。

上述的执行电路包括：P沟道MOS管Q3的源极与采样电阻R1联接，Q3的栅极与电阻R4、R5以及二极管D1的阴极联接，Q3的漏极作为Vout+输出端。

上述的电流采样电路包括：电流采样电阻R1的一端与PNP三极管Q1的发射极、电阻R4、R8以及母线Bus+联接，电流采样电阻R1的另一端与电阻R3以及Q3的源极联接。

上述的过流保护电路包括：PNP三极管Q2的发射极与PNP三极管Q1的基极以及电阻R2联接，Q2的基极与电阻R2、R3的另一端以及NPN三极管Q4的集电极联接，Q2的集电极与电阻R10联接。

上述的限流保护电路包括：PNP三极管Q1的发射极与电阻R1、R4、R8以及母线Bus+联接，Q1的基极与电阻R2、NPN三极管Q2的发射极联接，Q1的集电极与电阻R6、二极管D1的阳极联接，电阻R2与Q1的基极、Q2的集电极联接，R2的另一端与电阻R3、Q2的基极、Q4的集电极联接；。

上述的延时电路包括：电阻R6的一端与二极管D2的阳极、电容C1联接，电容C1的另一端接地（母线Bus-），二极管D2的阴极与电阻R10、R7、Q4的基极联接，电阻R7的另一端接地（母线Bus-），电阻R8的一端与电阻R1、R4、Q1的发射极联接，R8的另一端与电阻R9联接，电阻R9的另一端接地（母线Bus-）。

上述的锁定电路包括：NPN三极管Q4的基极与D2的阴极、电阻R7、R10联接，Q4的集电极与电阻R2、R3、Q2的基极联接，Q4的发射极与电阻R8、R9联接。

下面进一步对本发明的工作过程进行描述。

由于控制电路用电量极少（3mA左右），因此下文描述中将不考虑控制电路对输出电流的影响，即：Iin=IR1=Iout。

（1）输出电流Iout小于6A的情况。输出电流Iout小于6A时，三极管Q1、Q2、Q4不导通，PMOS管Q3正常导通工作在饱和导通区，保护电流对电流不进行限制。

（2）输出电流Iout大于6A且小于14A的情况。如果某种状态引起输出电流值大于6A且小于14A时电流采样电阻R1两端的电压使得三极管Q1导通并为Q1提供基极驱动电流，Q1导通引起PMOS管Q3源极-栅极电压Vsg下降，使PMOS管Q3进入线形区，而Q3进入线形区后又会使得输出电流Iout下降，输出电流Iout下降会引起R1两端电压下降使Q1的基极电流减小，从而形成一个负反馈过程，即：Iout↗→Ibe1↗→Vce1↘→Vsg↘→Iout↘，进而将输出电流Iout限制在6A。

由于Q1导通，电容C1开始充电，C1两端电压Vc1从0开始缓慢上升。如果该状态一直存在，当电容C1上的电压Vc1上升到可以使得Q4导通时（此过程需要10ms），锁定电路动作。通过调整R2、R4、R5、R6、R7、R9、R10的阻值，一方面Q4导通会使得Q1仍然导通并使Q2导通，而Q2导通后将进一步增大Q4的基极电流，从而形成锁定状态，使Q1、Q2、Q4一直保持在导通状态；另一方面Q4导通后使得Q1的基极电流不再受电阻采样电阻R1两端电压的影响，而是由Vbus、R2、R4、R5、R6、R7、R9、R10以及Q2、Q4共同决定，并满足：Ib1=IR2+IR7+Ib2+ib4，如图2所示。通过调整R2、R4、R5、R6、R7、R9、R10的阻值，可以使Q4导通后Q1在此种状态下工作在饱和区，从而将PMOS管Q3的源极-栅极电压Vsg钳位在一个较小的电压值，使Q3关断并始终保持在关断状态。如果该状态在10ms内消失，保护电路仅对该状态存在的时间内进行限流，待电流恢复正常后PMOS管恢复至饱和导通区，不再对电流进行限制。

（3）输出电流大于14A的情况。如果输出电流大于14A说明后级输出端出现短路故障，短路电流流过电流采样电阻R1，从而使得Q1、Q2导通，Q1、Q2导通后引起Q4导通。一方面Q4导通会使得Q1仍然导通并使Q2导通，而Q2导通后将进一步增大Q4的基极电流，从而形成锁定状态，使Q1、Q2、Q4保持在导通状态；另一方面Q4导通后使得Q1在此种状态下工作在饱和区，从而将PMOS管Q3的源极-栅极电压Vsg钳位在一个较小的电压值，使Q3关断并始终保持在关断状态。

图3、图4、图5为本发明的仿真波形图，图中，上面的波形为输出电压仿真波形图，下面的波形为输出电流仿真波形图；图6、图7、图8为本发明实测波形图，图中，上面的波形为输出电压实测波形图，下面的波形为输出电流实测波形图。仿真与实测输入条件一致，均为：输入电压42V，分别针对输出电流大于6A持续时间大于10ms、输出电流大于6A持续时间7.5ms、输出短路的情况进行仿真和实际测试。由仿真及实测波形图可以看出，本发明实现了对于输出电流大于6A持续时间大于10ms的情况，进行先将输出电流Iout限制在6A，10ms后关断PMOS管Q3并锁定的功能；实现了对于输出电流大于6A持续时间小于10ms的情况，进行先将输出电流Iout限制在6A，待电流恢复正常后，PMOS管Q3恢复至饱和导通区的功能；实现了输出端出现短路故障后，直接关断PMOS管Q3，并锁定的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明一种宇航用高可靠性电流保护电路进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种宇航用高可靠性电流保护电路，包括：执行电路、电流采样电路、过流保护电路、限流保护电路、延时电路及锁定电路：其特征在于，所述的执行电路与电流采样电路、限流保护电路及过流保护电路联接，用于限制或切断输出电流，以实现限流保护及过流保护的作用；所述的延时电路与限流保护电路及锁定电路联接，用于实现限流保护持续动作10ms后关断执行电路的作用；所述的锁定电路与延时电路及过流保护电路联接，用以实现执行电路在保护后关断锁定，从而使其一直处于关断状态的作用；

执行电路包括： P沟道MOS管Q3的源极与电流采样电阻R1的一端联接，P沟道MOS管Q3的栅极与电阻R4的一端、电阻R5的一端以及二极管D1的阴极联接，P沟道MOS管Q3的漏极作为Vout+输出端，电阻R5的另一端接地；

电流采样电路包括：电流采样电阻R1的另一端与PNP三极管Q1的发射极、电阻R4的另一端、电阻R8的一端以及母线Bus+联接，电流采样电阻R1的一端与电阻R3的一端以及P沟道MOS管Q3的源极联接；

过流保护电路包括：PNP三极管Q2的发射极与PNP三极管Q1的基极以及电阻R2的一端联接，PNP三极管Q2的基极与电阻R2的另一端、R3的另一端以及NPN三极管Q4的集电极联接，PNP三极管Q2的集电极与电阻R10的一端联接；

限流保护电路包括：PNP三极管Q1的发射极与电阻R1的另一端、电阻R4的另一端、电阻R8的一端以及母线Bus+联接，PNP三极管Q1的基极与电阻R2的一端、NPN三极管Q2的发射极联接，PNP三极管Q1的集电极与电阻R6的一端、二极管D1的阳极联接， 电阻R2的另一端与电阻R3的另一端、NPN三极管Q2的基极、NPN三极管Q4的集电极联接；

延时电路包括：电阻R6的另一端与二极管D2的阳极、电容C1的一端联接，电容C1的另一端接地，二极管D2的阴极与电阻R10的另一端、电阻R7的一端、NPN三极管Q4的基极联接，电阻R7的另一端接地，电阻R8的一端与电阻R1的另一端、电阻R4的另一端、NPN三极管Q1的发射极联接，R8的另一端与电阻R9联接，电阻R9的另一端接地；

锁定电路包括：NPN三极管Q4的基极与D2的阴极、电阻R7的一端、电阻R10的另一端联接，NPN三极管Q4的集电极与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、NPN三极管Q2的基极联接，NPN三极管Q4的发射极与电阻R8的另一端、电阻R9的一端联接，电阻R9的另一端接地。

2.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的P沟道MOS管的型号为JANTXV2N7236，电阻R4、电阻R5采用功率为1/4W的贴片电阻。

3.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的电流采样电阻R1采用功率为3W，阻值为0.1Ω的贴片电阻。

4.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的过流保护电路中，电阻R10采用功率为1/4W的贴片电阻，PNP三极管Q2的型号为3CK10G。

5.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路中，电阻R2、电阻R3采用功率为1/4W的贴片电阻，PNP三极管Q1的型号为3CK10G，二极管D1的型号为1N4148。

6.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的延时电路中，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9采用功率为1/4W的贴片电阻，电容C1采用耐压值为100V的贴片电容，二极管D2的型号为1N4148。

7.根据权利要求1 所述的宇航用高可靠性电流保护电路，其特征在于：所述的锁定电路中，NPN三极管Q4的型号为2N3700。