CN109412112A - 一种可重复使用的星载电子熔断器及其熔断保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航天器电子学技术领域，特别涉及一种可重复使用的星载电子熔断器及其熔断保护方法；本发明包括仪表放大器U1、阈值电压及依次连接的采样电阻R1、场效应管D1、控制器N1和电压比较器U2，仪表放大器U1的输入端与采样电阻R1，仪表放大器U1的输出端与电压比较器U2的正输入端连接，阈值电压与电压比较器U2的负输入端连接，电压比较器U2的输出端与控制器N1连接；控制器N1可控制场效应管D1重复断开和导通；本发明对电流进行检测，一旦电源电流超过预设电流阈值就切断电源，将后端电路系统保护起来，在到达等待预设时间后或接收到外部重启指令后，再次接通电源，并重新开启电流实时监测，其可以重复使用。

Description

一种可重复使用的星载电子熔断器及其熔断保护方法
技术领域
本发明涉及航天器电子学技术领域，特别涉及一种可重复使用的星载电子熔断器及其熔断保护方法。
背景技术
在航天器电子学系统设计中，熔断器是电源设计中的重要组成部分，这是因为空间环境特别恶劣，航天电子学系统在恶劣的环境中可能会发生故障引起短路；同时，空间中存在大量的高能粒子、中子、质子等，会冲击航天电子学系统中广泛使用的CMOS工艺器件，如数模转换器、模数转换器、通讯芯片、DSP、FPGA等，引发单粒子效应(Single EventEffects,简称：SEE)，造成单粒子闩锁(Single Event Latchup,简称：SEL)，使电源与地之间近似短路，危害整个卫星甚至整个航天器的安全。
熔断器在发生短路时可以快速熔断、及时切断故障电源，通过断臂求生的方式保护卫星其他部分，通常单粒子效应通过电源重启、重加载是可恢复的，但目前卫星上采用的管状熔断器或厚膜熔断器是不可恢复的，一旦熔断就意味着该路电源后端电路全部失效，无法再使用。航天器造价昂贵，研发、制造、发射成本高昂，一次性的熔断器严重限制了卫星载荷的应用和维修，造成了极大的资源浪费。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可重复使用的星载电子熔断器，对电流进行检测，一旦电源电流超过预设电流阈值就切断电源，将后端电路系统保护起来，在到达等待预设时间后或接收到外部重启指令后，再次接通电源，并重新开启电流实时监测，其可以重复使用；本发明还提供一种熔断保护方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种可重复使用的星载电子熔断器，其连接在供电线路上且与后端电路系统电性连接，其中，包括仪表放大器U1、阈值电压及依次连接的采样电阻R1、场效应管D1、控制器N1和电压比较器U2，所述仪表放大器U1的输入端与所述采样电阻R1，所述仪表放大器U1的输出端与所述电压比较器U2的正输入端连接，所述阈值电压与所述电压比较器U2的负输入端连接，所述电压比较器U2的输出端与所述控制器N1连接；控制器N1可控制场效应管D1重复断开和导通。
作为本发明的一种改进，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，则控制器N1控制场效应管D1断开，后端电路系统被切断。
作为本发明的进一步改进，当等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1可控制场效应管D1重新导通。
作为本发明的更进一步改进，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态。
作为本发明的更进一步改进，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
作为本发明的更进一步改进，当等待时间达到预设时间或者外部重启指令时，控制器N1输出电压为低电平，则场效应管D1重新导通。
作为本发明的更进一步改进，所述场效应管D1采用P沟道场效应管。
一种熔断保护方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、设置阈值电压和控制器N1的等待预设时间，电源上电，控制器N1为初始状态，控制器N1输出电压为低电平，场效应管D1导通，后端电路系统电源接通；
步骤S2、仪表放大器U1实时检测采样电阻R1两端的采样电压；
步骤S3、电压比较器U2对采样电压与阈值电压进行比较，当采样电压小于阈值电压时，则场效应管D1维持导通状态；当采样电压大于阈值电压时，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断；
步骤S4、等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1控制场效应管D1重新导通；
步骤S5、重复步骤S2至步骤S4，实时检测采样电阻R1两端的采样电压，并将采样电压与阈值电压进行比较。
作为本发明的一种改进，步骤S3包括：
步骤S31、当采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态；
步骤S32、当采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1内，设置阈值电压为0.5V，设置控制器N1的等待预设时间为10s，采样电阻为0.1Ω。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明对电流进行检测，一旦电源电流超过预设电流阈值就切断电源，将后端电路系统保护起来，在到达等待预设时间后或接收到外部重启指令后，再次接通电源，并重新开启电流实时监测，其可以重复使用。
附图说明
图1为本发明的可重复使用的星载电子熔断器的电路连接示意图；
图2为现有技术中传统的熔断器的电路连接示意图；
图3为本发明的熔断保护方法的步骤框图；
图4为本发明的实施例一的流程步骤框图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明提供一种可重复使用的星载电子熔断器，其连接在供电线路上且与后端电路系统电性连接，包括仪表放大器U1、阈值电压及依次连接的采样电阻R1、场效应管D1、控制器N1和电压比较器U2，仪表放大器U1的输入端与采样电阻R1，仪表放大器U1的输出端与电压比较器U2的正输入端连接，阈值电压与电压比较器U2的负输入端连接，电压比较器U2的输出端与控制器N1连接；控制器N1可控制场效应管D1重复断开和导通。
在本发明中，对电流进行检测，一旦电源电流超过预设电流阈值就切断电源，将后端电路系统保护起来，在到达等待预设时间后或接收到外部重启指令后，再次接通电源，并重新开启电流实时监测，其可以重复使用。
在本发明中，当仪表放大器U1检测到采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，则控制器N1控制场效应管D1断开，后端电路系统被切断；具体地讲，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
在本发明中，当等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1可控制场效应管D1重新导通；具体地讲，当所述仪表放大器U1检测到采样电阻R1两端的采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态。
在本发明中，当等待时间达到预设时间或者外部重启指令时，控制器N1输出电压为低电平，则场效应管D1重新导通。
在本发明中，场效应管D1采用P沟道场效应管。
如图3所示，一种熔断保护方法，包括如下步骤：
步骤S1、设置阈值电压和控制器N1的等待预设时间，电源上电，控制器N1为初始状态，控制器N1输出电压为低电平，场效应管D1导通，后端电路系统电源接通；
步骤S2、仪表放大器U1实时检测采样电阻R1两端的采样电压；
步骤S3、电压比较器U2对采样电压与阈值电压进行比较，当采样电压小于阈值电压时，则场效应管D1维持导通状态；当采样电压大于阈值电压时，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断；
步骤S4、等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1控制场效应管D1重新导通；
步骤S5、重复步骤S2至步骤S4，实时检测采样电阻R1两端的采样电压，并将采样电压与阈值电压进行比较。
其中，步骤S3包括：
步骤S31、当采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态；
步骤S32、当采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
在本发明中，在步骤S1内，设置阈值电压为0.5V，设置控制器N1的等待预设时间为10s，采样电阻为0.1Ω。
本发明具有如下优点：
1、本发明的熔断器的熔断电流可以通过DA转换器或直接提供外部电压进行设置，针对后端电路系统不同的应用不同的功率都简单可调。
2、本发明的熔断器可重复使用，在“熔断”保护后，待系统故障排除或维修以后，经过预定时间或外部指令控制下还可以再次恢复接通状态，重复使用，无次数限制，解决了传统星上熔断器“一次熔断，永久失效”的弊病。
3、本发明的熔断器结构简单，无需继电器，可靠性高；使用的电子元器件对单粒子不敏感，同时可以再采取整体抗辐照加固措施，可以保证电子熔断器本身的抗辐照性能。
4、本发明的熔断器是以航天卫星载荷的实际需求为指引而发明的，但显而易见的，该电子熔断器适用性强，并不局限于航天应用，对于民用、工业均有广阔的应用空间，都应在本专利的保护之内；本发明内容可以利用封装工艺做成单芯片形式，作为熔断器的单片式解决方案，市场需求巨大。
如图4所示，本发明提供一个实施例一，该实施例一包括以下步骤：
步骤Ⅰ：设置阈值电压V0、设置预设等待时间T，电源上电，控制器N1为初始状态，输出电压V3为低电平0，P沟道场效应管D1导通，后端电路系统电源接通；
步骤Ⅱ：仪表放大器U1为单位增益，检测采样电阻R1两端电压，输出电压V1＝I×R1；
步骤Ⅲ：比较采样电压V1与阈值电压V0的大小；若V0>V1，则说明电源电流小于预设电流，后端电路系统工作正常，电压比较器U2输出电压V2为低电平0，控制器N1输出电压V3为低电平0，场效应管D1维持导通状态；若V0<V1，则说明电源电流大于预设电流，后端电路系统工作异常，电压比较器U2输出电压V2为高电平1，控制器N1输出电压V3为高电平1，场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断；
步骤Ⅳ：控制器N1将后端电路系统电源切断后，等到预设等待时间T后，重新输出V3为低电平0，接通场效应管D0，若在未到达等待预设时间T时，如果接收到外界重启指令，则立即控制器N1输出电压V3为低电平0，接通场效应管D1，无需再等待至预设等待时间T；
步骤Ⅴ：循环执行步骤Ⅱ至Ⅴ，持续监测采样电阻R1上的电压，并与阈值电压V0比较，实现电路异常时迅速熔断保护、危险去除后可控制重新接通的电子熔断器功能。
在该实施例一中，熔断电流的调节是通过调节阈值电压V0实现的，I＝V0/R1，V0的大小可以通过电阻对电源分压得到，也可以通过DA转换器得到；仪表放大器U1建议采用单位增益，但也可以采用其他增益G，那么，则保护电流I的设置公式为：I＝V0/R1/G。
本发明提供实施例二，在实施例二中，在卫星载荷电源的熔断器设计中，所选仪表放大器U1为ADI公司的AD620，所选电压比较器U2为TI公司的LM139，所选场效应管D1为IR公司的2N7382，所选采样电阻R1为七一八友晟公司的有可靠性指标的精密合金箔固定电阻器RJ711(RCK)，所选控制器N1为具有定时器功能的ASIC。
实施例二具体方法如下：
步骤1、设置阈值电压V0＝0.5V、设置预设等待时间T＝10s，采样电阻R1＝0.1Ω，则熔断电流设置为5A，电源上电，控制器N1为初始状态，输出电压V3为低电平0，P沟道场效应管D1导通，后端电路系统电源接通；
步骤2、仪表放大器U1设置为单位增益，检测采样电阻R1两端电压，输出电压V1＝I×R1＝0.1I；
步骤3、比较采样电压V1与阈值电压V0的大小，若V1<0.5V，则电源电流I小于预设电流5A，后端电路系统工作正常，电压比较器U2输出电压V2为低电平0，控制器N1输出电压V3为低电平0，场效应管D1维持导通状态；若V1>0.5V，则电源电流I大于预设电流5A，后端电路系统工作异常，电压比较器U2输出电压V2为高电平1，控制器N1输出电压V3为高电平1，场效应管D1关断，后端电路系统电源被切断；
步骤4、控制器N1将后端电路系统电源切断后，预设等待时间10s后重新输出V3为低电平0，接通场效应管D1；若在预设等待时间10s内，如果接收到外界重启指令，则立即输出V3为低电平0，接通场效应管D0，无需再等待至10s。然后执行步骤5。
步骤5、循环执行步骤2至步骤4，持续监测采样电阻R1上的采样电压，并与阈值电压V0比较，实现电路异常时迅速熔断保护、危险去除后可控制重新接通的电子熔断器功能。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可重复使用的星载电子熔断器，其连接在供电线路上且与后端电路系统电性连接，其特征在于，包括仪表放大器U1、阈值电压及依次连接的采样电阻R1、场效应管D1、控制器N1和电压比较器U2，所述仪表放大器U1的输入端与所述采样电阻R1，所述仪表放大器U1的输出端与所述电压比较器U2的正输入端连接，所述阈值电压与所述电压比较器U2的负输入端连接，所述电压比较器U2的输出端与所述控制器N1连接；所述控制器N1可控制所述场效应管D1重复断开和导通。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，则控制器N1控制场效应管D1断开，后端电路系统被切断。
3.根据权利要求1或2所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，当等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1可控制场效应管D1重新导通。
4.根据权利要求1所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态。
5.根据权利要求2所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，当所述仪表放大器U1检测到所述采样电阻R1两端的采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
6.根据权利要求3所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，当等待时间达到预设时间或者外部重启指令时，控制器N1输出电压为低电平，则场效应管D1重新导通。
7.根据权利要求1所述的一种可重复使用的星载电子熔断器，其特征在于，所述场效应管D1采用P沟道场效应管。
8.一种熔断保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、设置阈值电压和控制器N1的等待预设时间，电源上电，控制器N1为初始状态，控制器N1输出电压为低电平，场效应管D1导通，后端电路系统电源接通；
步骤S2、仪表放大器U1实时检测采样电阻R1两端的采样电压；
步骤S3、电压比较器U2对采样电压与阈值电压进行比较，当采样电压小于阈值电压时，则场效应管D1维持导通状态；当采样电压大于阈值电压时，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断；
步骤S4、等待时间达到等待预设时间或者外部重启指令时，控制器N1控制场效应管D1重新导通；
步骤S5、重复步骤S2至步骤S4，实时检测采样电阻R1两端的采样电压，并将采样电压与阈值电压进行比较。
9.根据权利要求8所述的一种熔断保护方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S31、当采样电压小于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为低电平，控制器N1输出电压也为低电平，则场效应管D1维持导通状态；
步骤S32、当采样电压大于阈值电压时，电压比较器U2输出电压为高电平，控制器N1输出电压为高电平，则场效应管D1断开，后端电路系统电源被切断。
10.根据权利要求8或9所述的一种熔断保护方法，其特征在于，在步骤S1内，设置阈值电压为0.5V，设置控制器N1的等待预设时间为10s，采样电阻为0.1Ω。
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