CN109980600A - 一种tr组件供电的负偏压保护电路 - Google Patents

一种tr组件供电的负偏压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种TR组件供电的负偏压保护电路，包括电阻、电容、TVS二极管、场效应晶体管和高速光耦；通过所述电阻、高速光耦的光敏三极管与TVS二极管的串联给场效应晶体管提供维持导通的栅源驱动电压，高速光耦初级发光二极管与电阻串联后连接负偏压，使用场效应晶体管作为控制漏极电压的开关，通过光耦初级发光二极管导通特性完成对负偏压的监测，使用高速光耦控制场效应晶体管的关断完成负偏压故障时对漏极电压的关断。本发明具有可靠性高、响应速度快、电路简单、成本低等特点。

Description

一种TR组件供电的负偏压保护电路
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别是一种TR组件供电的负偏压保护电路。
背景技术
TR组件是有源相控阵发射机的核心模块，其保护电路关系到系统的安全性和可靠性。负偏压是为TR组件内功率放大晶体管提供稳态工作点的栅极偏置电压，对负偏压和漏极电压的上电断电时序有着严格的要求，上电时必须先上负偏压然后加漏极电压，断电时必须先断漏极电压然后断负偏压，如果负偏压发生故障时漏极电压还在，TR组件内功率放大电路将存在较高的失效风险，因而负偏压保护电路的设计对保证TR组件的可靠性尤为重要。
目前针对TR组件的负偏压保护电路采取的设计方案是通过分压网络进行采样后送入运算放大器进行比较判断，判断负偏压故障后断开漏极电压。
上述设计方案电路复杂，需要给运放提供辅助供电和基准电压，需要辅助电路实现漏极电压的开通关断控制。在系统工作时辅助电源和负偏压电源都存在故障的可能性，若采用该方案，辅助电源发生故障时，负偏压保护电路就失效了，因而使用辅助电源进行负偏压保护的实现可靠性偏低。该方案包括检测电路、电压比较电路、电源开关控制电路，其电路构成复杂，系统响应速度较慢、可靠性较低、成本较高。
总之，现有的负偏压保护电路存在有可靠性低、响应速度较慢、电路复杂、成本较高等缺点，难以满足TR组件在有源相控阵发射机中高可靠性的需求
发明内容
本发明的目的在于提供一种TR组件供电的负偏压保护电路，以确保负偏压正常时漏极电压正常施加，负偏压故障时漏极电压自动断开，具有可靠性高、响应速度快、电路简单、成本低的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种TR组件供电的负偏压保护电路，包括限流电阻、高速光耦、上拉电阻、去耦电容、TVS二极管、场效应晶体管、储能滤波电容、高频滤波电容；所述储能滤波电容并联在TR组件漏极电压与效应晶体管的漏极之间；高速光耦内部初级的发光二极管与限流电阻串联后接在负偏压与电源地之间，其中，发光二极管的阳极与限流电阻连接，发光二极管的阴极连接至负偏压；去耦电容和TVS 二极管并联，然后与高速光耦内部次级的光敏三极管以及上拉电阻串联，串联后并入漏极电压和电源地之间，其中，TVS二极管的阴极与光敏三极管的发射极连接，光敏三极管的集电极与上拉电阻一端连接，上拉电阻另一端与漏极电压连接；TVS二极管的阴极接场效应晶体管的栅极，TVS二极管的阳极接场效应晶体管的源极，负载端的高频滤波电容并联在漏极电压与场效应晶体管的漏极之间。
较佳地，所述负偏压正常时，负偏压对地在串联的高速光耦内部初级的发光二极管与限流电阻回路中产生电流，高速光耦初级发光二极管发光，次级光敏三极管饱和导通，上拉电阻、高速光耦的光敏三极管与TVS二极管给场效应晶体管提供维持导通的栅源驱动电压，TR组件的漏极电压正常加电。
较佳地，所述负偏压故障时，负偏压对地在串联的高速光耦内部初级的发光二极管与限流电阻回路中的电流消失，高速光耦初级发光二极管不发光，次级光敏三极管断开，场效应晶体管导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护。
较佳地，所述TR组件供电的负偏压保护电路根据电路的漏极电压值和负偏压值调节限流电阻和上拉电阻选择合适的光耦工作电流，实现负偏压保护。
较佳地，所述TR组件供电的负偏压保护电路可以通过选择不同饱和导通电阻的场效应晶体管实现不同功率量级的负偏压保护。
所述负偏压正常时负偏压对地在串联的高速光耦内部初级的发光二极管与限流电阻回路中产生电流，高速光耦初级发光二极管发光，次级光敏三极管饱和导通，上拉电阻、高速光耦的光敏三极管与TVS二极管给场效应晶体管提供维持导通的栅源驱动电压，TR组件的漏极电压正常加电；负偏压故障时负偏压对地在串联的高速光耦内部初级的发光二极管与限流电阻回路中的电流消失，高速光耦初级发光二极管不发光，次级光敏三极管断开，场效应晶体管导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1、可靠性高：本发明的负偏压保护电路无需辅助电源，自动完成负偏压保护，可以在控制电源或辅助电源故障时正常完成电路保护功能；通过光耦对负偏压与地之间的回路检测能够完成负压对地开路、短路等各种故障模式的有效检测，传统方案的漏极电源对负偏压电阻分压的检测方式无法检测负压对地短路故障；
2、响应速度快：无电压取样和比较等检测电路，负偏压故障瞬间高速光耦内部初级的发光二极管电流消失，次级光敏三极管断开，场效应晶体管导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护，可在微秒级完成保护；
3、体积小、可靠性高、成本低：本发明的TR组件供电的负偏压保护电路共由两个电阻、三个电容、一个高速光耦、一个TVS二极管、一个场效应晶体管组成，电路简单，其占用体积小、可靠性高、成本低。
附图说明
图1是本发明的TR组件供电的负偏压保护电路原理图。
图2是本发明的TR组件供电的负偏压保护电路在具体相控阵有源发射机系统工程实例中的功能框图。
图3是本发明的高速光耦次级饱和导通压降与次级电流、初级电流关系图。
图4是本发明在电源地与组件地共地不能断开情况下的拓展变形应用原理图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
如图1所示，本发明TR组件供电的负偏压保护电路，包括：限流电阻1、高速光耦2、上拉电阻3、去耦电容4、TVS二极管5(瞬态电压抑制二极管)、场效应晶体管 6、储能滤波电容7、高频滤波电容8。所述储能滤波电容7并联在TR组件漏极电压与效应晶体管6的漏极之间；高速光耦2内部初级的发光二极管与限流电阻1串联后接在负偏压与电源地之间，其中，发光二极管的阳极与限流电阻1连接，发光二极管的阴极连接至负偏压；去耦电容4和TVS二极管5并联，然后与高速光耦2内部次级的光敏三极管以及上拉电阻3串联，串联后并入漏极电压和电源地之间，其中，TVS二极管5 的阴极与光敏三极管的发射极连接，光敏三极管的集电极与上拉电阻3一端连接，上拉电阻3另一端与漏极电压连接；TVS二极管5的阴极接场效应晶体管6的栅极，TVS 二极管5的阳极接场效应晶体管6的源极，负载端的高频滤波电容8并联在漏极电压与场效应晶体管6的漏极之间。场效应晶体管6可以使用N沟道场效应晶体管。
在正常工作时，TVS二极管5反向导通并维持其两端电压为其钳位电压Vc，该钳位电压Vc即可维持场效应晶体管6饱和导通，为效应晶体管6的栅极导通电压Vthon，如式1
Vthon＝Vc 式1
过饱和导通的场效应晶体管6完成电流回路，对T/R组件的漏极电源输出保持正常，场效应晶体管6的导通损耗Ponloss如式2
Ponloss＝Rdson×Iload 2 式2
Rdson为导通电阻、Iload为导通电流。
场效应晶体管6漏源耐压要求要大于漏极电压，可选用100V漏源耐压的晶体管，目前在该漏源耐压量级采用超级结工艺的硅基功率晶体管或者氮化镓基的功率晶体管 Rdson可小至1毫欧左右，
典型的，以Rdson为1mΩ、负载电流50A为例，
根据式2可得Ponloss约2.5W，可通过传导或者辅助散热方式完成散热，当所需负载电流更大时，可使用两只或更多场效应晶体管并联以获得更低的Rdson。
在负偏压电路故障发生时，负偏压对地在串联的高速光耦2内部初级的发光二极管与限流电阻1回路中的电流消失，高速光耦2初级发光二极管不发光，次级光敏三极管断开，场效应晶体管6导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管6，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护。
典型的，以漏源为30V、负偏压为-10V的T/R组件为例，TVS二极管5选择SMBJ12A 型号的二极管，钳位电压Vc为12V，限流电阻1的阻值R1取1kΩ，高速光耦3选择 TLP281，上拉电阻3的阻值R2取10kΩ，去耦电容4可省略，
该电路参数下光耦初级导通电流IF为
根据式3得IF为10mA。
光耦次级光敏三极管饱和导通时其电流Ice为
根据式4得Ice为1.8mA。Vd为漏极电压、Vc为集电极电压、R2为上拉电阻。
由图2知，当IF为10mA，Ice为1.8mA时，Vce约为0.15V。
如图3所示为本发明在具体工程实例中的应用功能框图，舰载电三相380V50Hz电源输入前端电源21，完成前端滤波及有源功率因数校正产生二次直流母线电源输入阵面组件电源22，产生TR组件工作所需要的各级电压送给储能滤波电容23，后送给负压保护电路24，对各级电源进行硬件电路上电时序关联，即负偏压异常情况下漏极电源自动切断，即本发明的TR组件供电的负压保护电路，最后送给负载端的TR组件。
图4为当系统应用要求TR组件与电源必须共地时，图1所述电路的变形应用电路，电路工作原理相同，切断开关为P沟道晶体管5，串联在漏极电源上作为漏极电压的开关，负偏压故障时切断漏极电源的供电端(图1为切断地线回路)实现负偏压保护功能。
由于相控阵TR组件大多均工作在脉冲状态，瞬态浪涌电流较大，故而电路级联中存在储能滤波电容23电路部分，负压保护电路24选择在其之后，可以保证无需待储能滤波电容放电即可迅速切断负载侧漏极电源供电，达到快速保护的目的。
负偏压正常时高速光耦初级发光二极管发光，次级光敏三极管饱和导通，串联的电阻、高速光耦的光敏三极管与TVS二极管给场效应晶体管提供维持导通的栅源驱动电压，TR组件的漏极电压正常加电；负偏压故障时高速光耦初级发光二极管不导通，次级光敏三极管断开，场效应晶体管导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护。
经上述电路形式连接，使用场效应晶体管作为漏极电源的开关，通过高速光耦初级发光二极管的通断特性完成对负偏压的检测，使用高速光耦控制场效应晶体管的关断完成对负偏压故障时的漏极电源切断，避免了使用复杂的检测电路和开关控制电路进行保护，本发明的TR组件供电的负偏压保护电路，具有可靠性高、响应速度快、电路简单、成本低等特点。

Claims (5)

1.一种TR组件供电的负偏压保护电路，其特征在于，包括限流电阻(1)、高速光耦(2)、上拉电阻(3)、去耦电容(4)、TVS二极管(5)、场效应晶体管(6)、储能滤波电容(7)、高频滤波电容(8)；所述储能滤波电容(7)并联在TR组件漏极电压与效应晶体管(6)的漏极之间；高速光耦(2)内部初级的发光二极管与限流电阻(1)串联后接在负偏压与电源地之间，其中，发光二极管的阳极与限流电阻(1)连接，发光二极管的阴极连接至负偏压；去耦电容(4)和TVS二极管(5)并联，然后与高速光耦(2)内部次级的光敏三极管以及上拉电阻(3)串联，串联后并入漏极电压和电源地之间，其中，TVS二极管(5)的阴极与光敏三极管的发射极连接，光敏三极管的集电极与上拉电阻(3)一端连接，上拉电阻(3)另一端与漏极电压连接；TVS二极管(5)的阴极接场效应晶体管(6)的栅极，TVS二极管(5)的阳极接场效应晶体管(6)的源极，负载端的高频滤波电容(8)并联在漏极电压与场效应晶体管(6)的漏极之间。
2.根据权利要求1所述的负偏压保护电路，其特征在于，所述负偏压正常时，负偏压对地在串联的高速光耦(2)内部初级的发光二极管与限流电阻(1)回路中产生电流，高速光耦(2)初级发光二极管发光，次级光敏三极管饱和导通，上拉电阻(3)、高速光耦(2)的光敏三极管与TVS二极管(5)给场效应晶体管(6)提供维持导通的栅源驱动电压，TR组件的漏极电压正常加电。
3.根据权利要求1所述的负偏压保护电路，其特征在于，所述负偏压故障时，负偏压对地在串联的高速光耦(2)内部初级的发光二极管与限流电阻(1)回路中的电流消失，高速光耦(2)初级发光二极管不发光，次级光敏三极管断开，场效应晶体管(6)导通的栅源驱动电压为低电平，关断场效应晶体管(6)，完成负偏压异常时的漏极电压自动断电保护。
4.根据权利要求1所述的负偏压保护电路，其特征在于，根据电路的漏极电压值和负偏压值调节限流电阻(1)和上拉电阻(2)的阻值以选择相应的光耦工作电流。
5.根据权利要求1所述的负偏压保护电路，其特征在于，根据不同功率量级的负偏压保护，选择不同饱和导通电阻的场效应晶体管(6)。
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