CN106134498B - 一种卫星载荷电源欠压保护控制电路 - Google Patents

Abstract

一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，包括欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路、开关机指令电路以及电源输入开关MOS管M1。欠压检测电路检测母线电压，欠压动作电路根据欠压检测电路的检测情况输出脉冲信号，开关机指令电路根据关机指令与欠压动作电路输出脉冲信号进行逻辑或运算后的结果动作，控制输入开关电路及电源输入开关MOS管M1，从而控制载荷电源的输入是否开启。本发明电路所用器件少，体积小，同时与开、关机指令结合，简化了接口的难度，在开机或关机的状态下，其自身的功耗很小，不会影响卫星一次母线电压。本发明电路能满足28V、42V、100V各种卫星一次母线的需求，可以应用于深空探测、载人登月等卫星、飞船。

Description

一种卫星载荷电源欠压保护控制电路

技术领域

本发明属于航天器供配电领域，涉及一种应用于航天器电源产品的欠压保护控制电路。

背景技术

卫星上的二次电源分别为平台与载荷供电。为平台供电的二次电源与为载荷供电的二次电源之间存在区别。为平台供电的二次电源重点保证整星平台供电安全，在一次母线输入侧无欠压保护功能。为载荷供电的二次电源则要求在卫星一次母线电压下降到某一值时，二次电源关闭，载荷设备停止工作以节省能源，保证卫星平台的正常运行；同时为载荷供电的二次电源还应具备开、关机接口，在一次母线电压恢复后，使得载荷能正常开机。

现有欠压保护电路的工作方式为，当卫星一次母线电压低于设定值时，启动欠压保护电路，载荷关机；当一次母线电压上升到欠压保护值之上时，欠压保护电路关闭，载荷自动恢复工作。当太阳电池阵提供的能量与卫星载荷所需的能量大致相当时，载荷就会频繁的开机、关机，因此现有的这种欠压保护电路的工作方式不适用于卫星载荷电源。

为载荷供电的二次电源要求欠压保护后无自恢复功能，即发生欠压后，相应的保护电路能关闭电源，当一次母线电压恢复正常后，可以通过外部的开机指令重新使电源工作。在不需要载荷工作时，通过外部的关机指令使载荷电源关闭，降低整星功耗，提高效率，延长其工作寿命。

另外，卫星所处的空间环境与地面环境不同，要考虑空间带电粒子辐射的影响。空间带电粒子辐射是严重威胁卫星活动的重要环境要素，其主要包括地球辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线、等离子体、太阳风等，并且与太阳活动密切相关。高能带电粒子与航天器上的电子元器件及功能材料发生相互作用，产生各种辐射效应，从而对电路结构甚至是整星产生不良影响。这些均对星载电源保护电路提出了高要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，适用于卫星载荷电源所处的特殊空间环境与应用场合，同时可以满足不同种类卫星平台与各种载荷对二次电源的要求。

本发明的技术解决方案是：一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，包括欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路、开关机指令电路以及电源输入开关MOS管M1；欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路分别接在卫星一次母线的正线与回线之间，开关机指令电路接在指令母线的正线与回线之间，卫星一次母线与指令母线互相隔离；开关机指令电路包括三极管V1、三极管V2与磁保持继电器K2，磁保持继电器K2启动线圈的两端分别接至指令母线的正线和三极管V1的集电极，三极管V1的基极接外部输入的脉冲开机指令，三极管V1的发射极接指令母线的回线，磁保持继电器K2复位线圈的两端分别接至指令母线的正线和三极管V2的集电极，三极管V2的基极接外部输入的脉冲关机指令，三极管V1的发射极接指令母线的回线；磁保持继电器K2具有两对触点组，第一触点组的动触点与欠压动作电路的输入端相连，第一触点组的一个静触点接到欠压检测电路的输出端，第一触点组的另一个静触点悬空，初始状态时第一触点组的动触点与悬空静触点相连；第二触点组的动触点接一次母线正线，第二触点组的一个静触点接到输入开关电路的输入端，第二触点组的另一个静触点悬空不接，初始状态时第二触点组的动触点接到输入开关电路的输入端。输入开关电路的输出端接至MOS管M1的栅极端，MOS管M1的源极端和漏极端串接在一次母线的正线上；欠压动作电路的输出信号和外部输入的脉冲关机指令进行逻辑或运算后控制磁保持继电器K2复位线圈的动作。

所述的欠压动作电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、二极管D1、稳压管Z2、电容C1、三极管V4与电磁继电器K1；二极管D1的阳极接一次母线正线，二极管D1的阴极接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电磁继电器K1线圈的一端，电磁继电器K1线圈的另一端接三极管V4的集电极，三极管V4的发射极接一次母线的回线；电阻R11与稳压管Z2串联后与电磁继电器K1的线圈并联；电容C1与电阻R9并联后接于三极管V4的基极与发射极；三极管V4的基极接到磁保持继电器K2的第一触点组的动触点；电磁继电器K1具有两组触点组，两组触点组串联，串联后的两端分别接至三极管V2的集电极和指令母线回线。

所述的输入开关电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3与稳压管Z1；电阻R1、电阻R2、电阻R3串联接在一次母线的正线与回线之间，稳压管Z1的阴极与一次母线正线相连，稳压管Z1的阳极与MOS管M1的栅极端以及电阻R1和电阻R2的公共端相连；电阻R2和电阻R3的公共端接至磁保持继电器K2的第二触点组的非悬空静触点。

所述的欠压检测电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、比较器U1、三极管V3、二极管D2和参考电压Vref；电阻R4与电阻R5串联接在一次母线正线与回线之间，电阻R4与电阻R5的公共端与比较器U1的同相输入端相连，参考电压Vref连接于U1的反向输入端与一次母线回线之间；比较器U1的输入电源端通过电阻R6接到一次母线正线，比较器U1的参考地与一次母线回线相连，比较器U1的输出端接三极管V3的基极，三极管V3的集电极与比较器U1的输入电源端相连，三极管V3的发射极接一次母线回线；二极管D2的阴极接三极管V3的集电极，二极管D2的阳极接到一次母线回线；电阻R8和电阻R7串联后接至二极管D2的阴极与一次母线回线之间；电阻R7与电阻R8的公共端接磁保持继电器K2的第一触点组的悬空静触点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明欠压保护控制电路具有无自恢复的欠压保护功能，即启动欠压保护后，母线电压再上升到保护值之上，欠压保护仍然作用，只有再次发出开机指令后，载荷电源才能正常工作。该控制电路利用了继电器的吸合电压与释放电压的差值，形成一个关机指令脉冲，并与关机电路作逻辑或运算，通过关机电路使载荷电源关闭。当检测到母线电压恢复后，发出开机指令，载荷电源恢复正常工作；

2、本发明欠压保护控制电路具有一定的抗干扰能力，不会由于一次母线电压的瞬态跌落或干扰造成误保护。本发明充分考虑到一次母线电压的小幅瞬态跌落或是噪声干扰引起的误保护，在电路中设计了延迟与滤波电路(R7、R8、R9和C1)，通过合理设计相关参数值，有效抑制了母线电压的小幅瞬态跌落和噪声干扰，同时当真正的欠压发生时，能有效、可靠保护。同时，本发明还考虑了卫星发射时的震动、冲击影响，对电磁继电器K1的两组触点进行串联，不会因为震动或冲击造成该控制电路误保护，提高了该控制的可靠性；

3、本发明控制电路可以通过不同电阻值的设定，设置不同的欠压保护值，具有灵活调节的功能。考虑到控制的可扩展性，设计欠压保护点可调，可由电阻值设定。这样该欠压保护控制电路可以适用于卫星28V、42V与100V一次母线。欠压保护点仅用以其相连的电阻值控制，同时优化设计相关电阻值，无论在开机或关机的状态下，其自身的功耗很小，不会对卫星一次母线造成影响；

4、本发明控制电路具有抗空间辐照的能力，使其能满足各种空间环境的需求。由于本发明欠压保护控制电路采用的器件仅为电阻、电容、继电器、二极管、三极管等。由于电阻、电容、继电器对空间辐照不敏感，同时二极管、三极管的抗辐照总计量为≥150kRad(Si)，因此本发明控制电路具有抗空间辐照的能力，可以应用于长寿命、高可靠卫星载荷电源；

5、本发明欠压保护控制电路在失效的情况下，不会对一次母线、卫星载荷造成影响。通过对该控制电路的FMEA分析，在欠压保护电路失效的情况下，不会对卫星一次母线造成短路影响，不会对载荷开、关机指令电路造成影响。卫星载荷可以正常开、关机，仅失去欠压保护功能，提高了载荷整机的可靠性。

附图说明

图1为本发明欠压保护控制电路的原理图；

图2为本发明欠压保护控制电路的一种具体实现电路图；

图3为图2电路的时序图。

具体实施方式

卫星上的供配电分系统一般由一次母线、指令母线、平台与载荷二次电源构成。指令母线与一次母线隔离，小电流指令采用离散脉冲指令与磁保持继电器配合的方式作用于开、关机控制。

本发明的卫星载荷电源欠压保护控制电路如图1所示。该欠压保护控制电路由欠压保护电路、输入开关电路、以及开关机指令电路三部分构成。欠压保护电路由欠压检测电路与欠压动作电路组成，欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路从左至右分别接在卫星一次母线正线与回线之间。开关机指令电路接于指令母线正线与回线之间。一次母线与指令母线互相隔离。通过控制P沟道MOS管M1的驱动栅极电压可以控制载荷电源的开通与关断。

开关机指令电路由三极管V1、三极管V2与磁保持继电器K2构成。磁保持继电器K2的启动线圈与三极管V1顺序连接，置于指令母线正线与回线之间。其中磁保持继电器K2启动线圈的没有与指令母线正线连接的一端与三极管V1的集电极连接，外部输入的脉冲开机指令作用于三极管V1的基极，用于控制载荷电源的开通，三极管V1的发射极接指令母线的回线。同样的，磁保持继电器K2的复位线圈与三极管V2顺序连接，置于指令母线正线与回线之间。其中磁保持继电器K2复位线圈的没有与指令母线正线连接的一端与三极管V2的集电极连接，外部输入的脉冲关机指令作用于三极管V2的基极，用于控制载荷电源的关闭，三极管V1的发射极接指令母线的回线。

磁保持继电器K2具有两对触点组。触点组1的动触点与欠压动作电路的输入端相连，触点组1的一个静触点接到欠压检测电路的输出端，触点组1的另一个静触点悬空不接，触点组1的初始状态为动触点与悬空静触点相连。触点组2的动触点接到一次母线正线，触点组2的一个静触点接到输入开关电路的输入端，触点组2的另一个静触点悬空不接，触点组2的初始状态为动触点接到输入开关电路的输入端。输入开关电路的输出端接至P沟道MOS管M1的栅极端，P沟道MOS管M1的源极端和漏极端串接在一次母线的正线上。

在初始关机状态，磁保持继电器K2的触点组2把一次母线与输入开关电路接通，造成电源输入开关M1的栅极驱动电平为低电平，M1的漏极端与源极端处于高阻状态，无载荷电源输入，载荷处于关机的状态。K2的触点组1把欠压保护电路的欠压检测电路与欠压动作电路断开，无论一次母线是否欠压，欠压检测信号均无法传递到欠压动作电路，因此不会产生欠压动作信号。

当上位机给出开机指令脉冲后，三极管V1驱动K2的启动线圈，触点组2动触点接触到悬空静触点，输入开关电路产生高电平驱动电压，M 1的漏极与源极处于导通状态，一次母线电压进入载荷电源的输入端，即开启载荷电源。与此同时，K2的触点组1把欠压检测电路与欠压动作电路接通，欠压保护电路构成完整的控制回路。当上位机给出关机指令脉冲后，三极管V2驱动K2的复位线圈，磁保持继电器的触点组1、2同时回到初始状态。

当载荷电源开机后，负责欠压保护控制的欠压检测电路与欠压动作电路构成了完整的控制回路。欠压检测电路检测到一次母线发生欠压时，欠压动作电路输出一个脉冲控制信号，作用于磁保持继电器的K2的复位线圈，使K2的触点组1、2同时回到初时状态，即电源输入开关M1的漏极与源极处于高阻状态，载荷电源处于关机的状态，此时欠压检测电路与欠压动作电路断开。

本发明中，欠压动作电路输出的欠压脉冲信号与关机指令进行“或”逻辑运算后，共同作用于磁保持继电器K2的复位线圈，进而驱动K2的复位线圈，使得K2的触电组1、2同时回到初始状态，等待一次母线恢复后上位机给出开机指令。

图2为欠压保护控制电路的一种具体电路原理图，其中欠压检测电路由电阻R4、R5、R6、R7、R8，比较器U1，三极管V3，二极管D2和参考电压Vref构成。电阻R4与R5串联构成一次母线的分压电路，其结点与比较器U1的同相输入端相连，参考电压Vref连接于U1的反向输入端与一次母线回线之间。比较器U1的输入电源端通过电阻R6接到一次母线正线，U1的参考地与一次母线回线相连，U1的输出驱动三极管V3的基极。三极管V3的集电极与U1的电源端相连，三极管V3的发射极接到一次母线回线。二极管D2的阴极接到V3的集电极，D2的阳极接到一次母线回线。电阻R8、R7串联后接于电阻R6与一次母线回线之间。R7与R8的公共结点接到磁保持继电器K2的触点组1的静触点(初始状态处于悬空状态)。由于欠压检测电路一直与一次母线相连，为了保证其高可靠性，考虑元器件降额等因素，电阻R4、R5、R6、R8、R7可以采用电阻并联冗余措施。为了保证U1可靠工作，设计其电源电压不超过15V，满足降额设计与热设计要求。二极管D2防止U1电源电压反相损毁器件。

欠压动作电路由电阻R9、R10、R11，二极管D1，稳压管Z2，电容C1，三极管V4与电磁继电器K1构成。二极管D1，电阻R10，电磁继电器K1线圈与三极管V4顺序串联后接于一次母线正线与回线之间。电阻R11与稳压管Z2串联后与K1的线圈并联。电容C1与电阻R9并联后接于三极管V4的基极与发射极。V4的基极接到磁保持继电器K2的触点组1的动触点。电磁继电器K1具有两组触点组，两组触点串联，即触点组1的动触点接到触点组2的一个静触电，触点组1的一个静触点接于三极管V2的集电极，触点组2的动触点接到指令母线回线。二极管D1防止三极管V4由导通到截止的动态过程产生反相电压影响一次母线。合理选择R6、R7、R8与C3，可以有效保证欠压保护控制可靠有效。稳压管Z2保证继电器K1开通瞬间其线圈电压不超过额定工作电压，同时Z2与R11构成K1线圈的反电动势抑制电路。

载荷电源输入开关电路由电阻R1、R2、R3与稳压管Z1构成。电阻R1、R2、R3串联接在一次母线的正线与回线之间，形成一次母线的分压电路。稳压管Z1与电阻R1并联，其阴极与一次母线正线相连，其阳极与M1的栅极相连，控制M1的栅极电压进而控制载荷电源的输入。电阻R2和R3的公共端接至磁保持继电器K2的触点组2的静触点(初始状态处于非悬空状态)。为了保证高的可靠性，特别加入稳压管Z1。当正常工作时，稳压管Z1的稳压值略高于M1的Vgs电压，稳压管Z1几乎无电流流过；当电阻R1开路失效后，Z1与电阻R2、R3分压后，M1的Vgs电压小于15V，有效保护开关管M1。

在初始关机状态，磁保持继电器K2的触点组2把电阻R1、R2短路，造成电源输入开关M1的栅极与源极短路，M1的漏极与源极处于高阻状态，载荷电源无输入，处于关机的状态。K2的触点组1把欠压保护电路的欠压检测电路与欠压动作电路断开，无论一次母线是否欠压，欠压检测信号均无法传递到欠压动作电路，不会产生欠压动作信号。

当上位机给出开机指令脉冲后，三极管V1驱动磁保持继电器K2的启动线圈，触点组2动触点接触到悬空静触点，输入开关电路的R1、R2、R3对一次母线进行电阻分压，M1的Vgs(栅极和源极之间)电压在电阻分压下，达到10V左右，M1的漏极与源极处于导通状态，一次母线电压进入载荷电源的输入端，即开启载荷电源。与此同时，K2的触点组1把欠压检测电路与欠压动作电路接通，欠压保护电路构成完整的控制回路。当上位机给出关机指令脉冲后，三极管V2驱动磁保持继电器K2的复位线圈，触点组1、2同时回到初始状态。电阻R2是防止M1的Cgs(栅极和源极之间)电容在关机时对触点组2的触点造成粘连。

当一次母线电压超过欠压保护值时，经过电阻R4、R5分压后，相应的电压电平送到比较器U1的同相输入端与参考电压Vref做比较，U1输出高电平驱动三极管V3导通，V3的集电极电压约为0.7V，经过电阻R8与R7的分压后电压较低，无法驱动三极管V4，此时V4呈现截至状态，继电器K1不动作。

当一次母线电压低于欠压保护值时，经过电阻R4、R5分压后，相应的电压电平送到比较器U1的同相输入端与参考电压Vref做比较，U1输出低电平，无法驱动三极管V3，此时三极管V3截止，一次母线电压在电阻R6、R8、R7串联下形成分压电路，相应的电阻R7的电压电平对电容C1进行充电，电容C1上的电压逐渐升高，当达到V4的启动电压后，V4进入放大工作区，继电器K1的线圈电压逐渐升高，当达到K1的吸合电压值时，继电器K1动作，造成K2的复位线圈加电，进而磁保持继电器K2进行复位，K2的触点组1回到初始状态，即欠压检测电路与欠压动作电路断开。但是电容C1已经有一定电压，C1继续对V4的基极进行放电，C1的电压下降，同时K1线圈电压也在下降，直到降到K1线圈的释放电压时，K2的复位脉冲电压才为0。

图3为本发明欠压保护控制电路时序图。欠压在t0发生时，当继电器K1线圈电压超过吸合电压时，继电器K2的复位线圈加电；当继电器K1线圈电压低于释放电压时，继电器K2复位线圈断电。考虑实际继电器的动作时间与延迟时间，加在继电器K2复位绕组上的脉冲电压实际时间如图中所示为t6-t2。继电器K1采用26V电磁继电器，其吸合电压与释放电压(125℃)分别为18V与13V。继电器K2采用磁保持继电器，其动作时间小于2ms，当t6-t2大于2ms时，可以确保欠压保护有效动作。实际测试该电路的脉冲时间大于40ms，可以保证有效继电器有效动作。

需要说明的是，图2所示的欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路只是实现本发明原理的一种具体电路形式，在不违背本发明思想的前提下，本领域技术人员可以根据具体的实际情况选择其他的现有具体电路形式而不限于图2给出的具体形式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，其特征在于包括：欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路、开关机指令电路以及电源输入开关MOS管M1；欠压检测电路、欠压动作电路、输入开关电路分别接在卫星一次母线的正线与回线之间，开关机指令电路接在指令母线的正线与回线之间，卫星一次母线与指令母线互相隔离；开关机指令电路包括三极管V1、三极管V2与磁保持继电器K2，磁保持继电器K2启动线圈的两端分别接至指令母线的正线和三极管V1的集电极，三极管V1的基极接外部输入的脉冲开机指令，三极管V1的发射极接指令母线的回线，磁保持继电器K2复位线圈的两端分别接至指令母线的正线和三极管V2的集电极，三极管V2的基极接外部输入的脉冲关机指令，三极管V1的发射极接指令母线的回线；磁保持继电器K2具有两对触点组，第一触点组的动触点与欠压动作电路的输入端相连，第一触点组的一个静触点接到欠压检测电路的输出端，第一触点组的另一个静触点悬空，初始状态时第一触点组的动触点与悬空静触点相连；第二触点组的动触点接一次母线正线，第二触点组的一个静触点接到输入开关电路的输入端，第二触点组的另一个静触点悬空不接，初始状态时第二触点组的动触点接到输入开关电路的输入端。输入开关电路的输出端接至MOS管M1的栅极端，MOS管M1的源极端和漏极端串接在一次母线的正线上；欠压动作电路的输出信号和外部输入的脉冲关机指令进行逻辑或运算后控制磁保持继电器K2复位线圈的动作。

2.根据权利要求1所述的一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，其特征在于：所述的欠压动作电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、二极管D1、稳压管Z2、电容C1、三极管V4与电磁继电器K1；二极管D1的阳极接一次母线正线，二极管D1的阴极接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接电磁继电器K1线圈的一端，电磁继电器K1线圈的另一端接三极管V4的集电极，三极管V4的发射极接一次母线的回线；电阻R11与稳压管Z2串联后与电磁继电器K1的线圈并联；电容C1与电阻R9并联后接于三极管V4的基极与发射极；三极管V4的基极接到磁保持继电器K2的第一触点组的动触点；电磁继电器K1具有两组触点组，两组触点组串联，串联后的两端分别接至三极管V2的集电极和指令母线回线。

3.根据权利要求1或2所述的一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，其特征在于：所述的输入开关电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3与稳压管Z1；电阻R1、电阻R2、电阻R3串联接在一次母线的正线与回线之间，稳压管Z1的阴极与一次母线正线相连，稳压管Z1的阳极与MOS管M1的栅极端以及电阻R1和电阻R2的公共端相连；电阻R2和电阻R3的公共端接至磁保持继电器K2的第二触点组的非悬空静触点。

4.根据权利要求3所述的一种卫星载荷电源欠压保护控制电路，其特征在于：所述的欠压检测电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、比较器U1、三极管V3、二极管D2和参考电压Vref；电阻R4与电阻R5串联接在一次母线正线与回线之间，电阻R4与电阻R5的公共端与比较器U1的同相输入端相连，参考电压Vref连接于U1的反向输入端与一次母线回线之间；比较器U1的输入电源端通过电阻R6接到一次母线正线，比较器U1的参考地与一次母线回线相连，比较器U1的输出端接三极管V3的基极，三极管V3的集电极与比较器U1的输入电源端相连，三极管V3的发射极接一次母线回线；二极管D2的阴极接三极管V3的集电极，二极管D2的阳极接到一次母线回线；电阻R8和电阻R7串联后接至二极管D2的阴极与一次母线回线之间；电阻R7与电阻R8的公共端接磁保持继电器K2的第一触点组的悬空静触点。