CN112531671A - 一种直流电源浪涌与断电的防护电路 - Google Patents

一种直流电源浪涌与断电的防护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流电源浪涌与断电的防护电路，所述防护电路串级在直流母线供电端与DC‑DC直流模块之间，防护电路包括依次串接的防反接电路、浪涌抑制器和储能电容器，防反接电路用于保证直流电源输入信号正负反接时后级电路不损坏，浪涌抑制器用于抑制直流电源输入信号的短时高电压信号，储能电容器用于保持直流电源输入断电时后级电路电压稳定。本发明可应用于航空机载、车载电源等相关领域，它不仅满足过压浪涌、欠压浪涌、输入断电的需求，而且具有低成本、小体积、易实现等优点。

Description

一种直流电源浪涌与断电的防护电路
技术领域
本发明属于机载直流电源领域，特别涉及了一种直流电源浪涌与断电的防护电路。
背景技术
在现代无人机测控系统中，机载直流稳压电源是测控系统的重要部件件，它给机载用电设备提供稳定可靠的直流供电。一种小体积、低纹波、高效率的电源是必不可少的。
目前，航空机载稳压电源一般有两种输入方式：115V/400Hz中频交流电源和28V直流稳压电源。两种输入方式各有优缺点，115V/400Hz电源波动小，需要器件的耐压相对较高；而28V直流供电存在电压稳态电压变化(18V～36V)、过压浪涌(80V/50ms)、欠压浪涌(8V/50ms)和瞬时断电(0V/50ms)等情况，母线电压一般不直接给设备部件使用，必须将母线供电与负载之间进行保护隔离。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种直流电源浪涌与断电的防护电路，解决直流稳压电源中的浪涌以及瞬时断电问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种直流电源浪涌与断电的防护电路，所述防护电路串级在直流母线供电端与DC-DC直流模块之间，所述防护电路包括依次串接的防反接电路、浪涌抑制器和储能电容器，所述防反接电路的输入端与机载母线供电端连接，所述储能电容器的输出端与DC-DC直流模块的输入端连接；所述防反接电路用于保证直流电源输入信号正负反接时后级电路不损坏，所述浪涌抑制器用于抑制直流电源输入信号的短时高电压信号，所述储能电容器用于保持直流电源输入断电时后级电路电压稳定。
进一步地，所述防反接电路包括两个工作模式：
正常工作模式：当直流输入电压极性正向连接时，防反接电路的输入与输出电压差在0.1V以内；
反向工作模式：当直流输入电压极性反向连接时，防反接电路的前级电路与后级电路处于切断状态。
进一步地，所述防反接电路包括第一NMOS管、第一稳压二极管、第一电容、第二电容以及第一～第三电阻；第一NMOS管的漏极连接防反接电路的负输入端，第一NMOS管的栅极经依次连接的第二电阻和第一电阻与防反接电路的正输入端和正输出端连接，第一NMOS管的源极连接防反接电路的负输出端，第三电阻的一端连接第一NMOS管的漏极，第三电阻的另一端经第二电容与第一NMOS管的源极连接，第一电容的一端连接第一电阻与第二电阻的公共端，第一电容的另一端连接第一NMOS管的源极，第一稳压二极管的阴极连接第一电阻与第二电阻的公共端，第一稳压二极管的阳极连接第一NMOS管的源极。
进一步地，所述浪涌抑制器包括三个工作模式：
正常工作模式：当输入电压高于6V且低于箝位电压时，浪涌抑制器的输出跟随输入变化，输入与输出电压差在0.2V以内；
浪涌抑制模式：当输入电压高于箝位电压时，浪涌抑制器以箝位电压恒压输出；
保护工作模式：当输入电压高于箝位电压超过预设时间或输入电压的浪涌能量高于浪涌抑制器中场效应管耗散功率时，电压浪涌抑制器的输出关断，当输入电压恢复到正常工作电压范围后恢复输出。
进一步地，所述浪涌抑制器包括主电路和控制电路，所述主电路包括第二NMOS管、第一电感、第一二极管、第二电容以及第一～第四采样电阻；第一采样电阻的一端连接第二采样电阻的一端，第一采样电阻的另一端连接主电路的正输入端，第二采样电阻的另一端连接主电路的负输入端，主电路的负输入端连接主电路的负输出端并接地，第二NMOS管的漏极连接主电路的正输入端，第二NMOS管的源极经第一电感与主电路的正输出端连接，第一二极管的阴极连接第二NMOS管的源极，第一二极管的阳极连接主电路的负输出端，第一电容的两端分别连接主电路的正输出端和负输出端，第三采样电阻的一端连接第四采样电阻的一端，第三采样电阻的另一端连接主电路的正输出端，第四采样电阻的另一端连接主电路的负输出端，第二NMOS管的栅极连接所述控制电路的输出端。
进一步地，所述控制电路包括第一比较器、第二比较器、反相器以及或门；所述第一比较器的负输入端的接入第一采样电阻与第二采样电阻的采样电压，第一比较器的正输入端接入基准电压，第一比较器的输出端连接反相器的输入端，反相器的输出端连接或门的第一输入端，第二比较器的负输入端接入第三采样电阻与第四采样电阻的采样电压，第二比较器的正输入端接入三角波，第二比较器的输出端连接或门的第二输入端，或门的输出端连接第二NMOS管的栅极。
进一步地，所述储能电容器采用高能复合钽电容器。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明设计的直流电源浪涌与断电的防护电路，可应用于航空机载、车载电源等相关领域，它不仅满足过压浪涌、欠压浪涌、输入断电的需求，而且具有低成本、小体积、易实现等优点，可作为电源模块防护的有效措施。
附图说明
图1是本发明的整体组成框图；
图2是本发明中防反接电路图；
图3是本发明中浪涌抑制器的工作模式图；
图4是本发明中浪涌抑制器的主电路图；
图5是本发明中浪涌抑制器的控制电路图。
标号说明：Q1：第一NMOS管；Q2：第二NMOS管；R1：第一电阻；R2：第二电阻；R3：第三电阻；R4：第一采样电阻；R5：第二采样电阻；R6：第三采样电阻；R7：第四采样电阻；Z1：第一稳压二极管；C1：第一电容；C2：第二电容；C3：第三电容；L1：第一电感；D1：第一二极管；CMP1：第一比较器；CMP2：第二比较器。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
机载直流稳压电源一般包括EMI电源滤波器，防护电路和DC-DC电源模块，如图1所示。其中防护电路包括防反接电路、浪涌抑制器和储能电容器，它是本发明设计的重点。所述防护电路中防反接电路、浪涌抑制器、储能电容器依次进行串行连接。防反接电路保证直流稳压电源输入正负电压极性反接时后级电路不损坏，浪涌抑制器抑制输入短时高浪涌电压信号，储能电容器满足输入瞬时断电时电压稳态输出。
所述防反接电路包括两种工作模式：
正常工作模式：当输入电压极性正向连接时，防反接电路的输入与输出电压差约0.1V内，满足后级电路工作。
反向工作模式：当输入电压极性反向连接时，防反接电路的前后级电路处于切断状态，无任何器件损坏。
通常情况下，直流电源输入防反接保护电路是运用二极管的单向导电性来完成防反接保护。这种接法简单可靠，但当正常工作时输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。以输入电流额定值10A,，额定管压降为0.7V为例，那么管功耗Pd＝10A×0.7V＝7W，这样功率发热量大，需要加散热器，电路体积大。而在本实施例中，如图2所示，采用MOS管防反接电路可以解决压降和功耗过大的问题，因为MOS管的导通电阻Rds为毫欧级。
N沟道MOS管经过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1、稳压管Z1为MOS管供应电压偏置，运用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，然后防止电源反接给负载带来损坏。输入极性正接时，电阻R1供应VGS偏置电压，MOS管饱和导通。若MOS管的导通电阻Rds(on)＝5mΩ，通路电流I＝10A，则功耗Pd＝(10×10)×0.005＝0.5W。可以解决现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。当输入极性反接时，VGS<0，MOS管的D管脚和S管脚断开，起到防反接作用。
所述浪涌抑制器包括三种工作模式：
正常工作模式：当输入电压高于6V且低于箝位电压时，浪涌抑制器的输出跟随输入变化，其输入与输出电压差约0.2V内。在大部分时间内，浪涌抑制器将工作在该状态，因此浪涌抑制器的效率指标是设计时必须考虑的，高效率的开关型方式是首选。
浪涌抑制模式：当输入电压高于箝位电压时，浪涌抑制器以箝位电压恒压输出。
保护工作模式：当输入电压高于箝位电压超过预设时间、输入的浪涌能量高于场效应管耗散功率或输入电压低于6V时，电压浪涌抑制器的输出关断，当输入电压恢复到正常工作电压范围后恢复输出。
设计达到如图3所示的结果，当输入为高压Vhigh(高于Vclamp)时，浪涌抑制器工作在浪涌抑制模式，输出电压钳位至Vclamp；当输入为正常电压Vnormal(高于6V，低于Vclamp)时，浪涌抑制器工作在正常工作模式，输出电压跟随输入电压变换Vout∝Vin；当输入为高压Vlow(低于6V)时，浪涌抑制器工作在保护工作模式，输出电压输出为零；
浪涌抑制器用来处理供电系统输入的浪涌电压干扰，可抑制GJB181-1986的80V/50ms、GJB181B-2012的50V/50ms和DO-160G的60V/100ms过压浪涌。保证输岀电压始终维持在设备允许的供电范围之内，超出正常供电部分的电压能量被浪涌抑制器转化为热能吸收掉，从而达到净化供电的目的，为后端的DC-DC变换器提供可靠的输入电压，保证系统安全工作。浪涌抑制器采用场效应管降压开关原理设计，对过高瞬态浪涌电压进行跟踪并抑制。常用的浪涌抑制设计大都是使用热敏电阻、TVS二极管等吸收浪涌能量转换为热能释放掉，损耗较大。
在本实施例中，浪涌抑制器采用Buck型浪涌抑制电路，如图4和图5所示，包括主电路和控制电路。在主电路中，采样电阻R3、R4采样得到电压Vf，采样电阻R5、R6采样得到电压Vr。控制电路的原理如下：
采样电压Vf与基准电压VIO经由比较器CMP1进行比较，采样电压Vr与三角波经由比较器CMP2进行比较，比较器CMP1的输出信号经反相器输入或门，比较器CMP2的输出信号直接输入或门，经过运算后产生电压Dr，用于控制主电路的功率场效应管，达到抑制高电压浪涌的目的。电路的优点是功率管处于开关状态，电路自身的功耗比较小，达到高效率的目的。
储能电容器采用高能复合钽电容器，高能复合钽电容器是一种能量密度高，阻抗低，全密封的高性能全密封全钽电容器。由于其阴极采用固体和液体混合结构，因此，其温度特性与传统的液体钽电容器相比，变化率更低。采用了创新型的多阳极并联结构，电容器的自有阻抗大幅度降低，在进行高功率密度的充放电时，发热量更小，可靠性更高。它不仅作为瞬时欠压和断电地储能，还可以作为直流低频地滤波电路使用。
储能电容器在本发明中的主要作用是偶然岀现的断电保护，要求在母线突然断电后该电容器能够自动接入，在保证一定电压和功率密度要求下维持一定的供电时间。设计时，需注意储能电容器后级电路阻抗与需要的电压、电容器容量及功率需要之间的数学关系。另外，设计时电容器容量选择上留有50％的余量，以防止由于其他不确定因素导致的供电时间和功率密度不够的现象。具体的计算如下：
设电路正常工作时的输入功率为P，储能电容的容量为C，其两端的电压为U1，则电容储存的能量为：
Figure BDA0002785453020000071
当输入电源掉电后，经过时间t，电容两端的电压为U2，此时电容剩余能量为：
Figure BDA0002785453020000072
在这一过程中储能电容释放的能量为：
W＝W1-W2
它应该等于电路维持正常工作所需的能量：
W＝P·t
所以有
Figure BDA0002785453020000073
由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容量为：
Figure BDA0002785453020000074
综上，根据负载需要功率、瞬时中断时间、正常工作电压及中断电压值，可以计算出电容值，选择高能复合钽电容器不同的规格，即可满足设计要求。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述防护电路串级在直流母线供电端与DC-DC直流模块之间，所述防护电路包括依次串接的防反接电路、浪涌抑制器和储能电容器，所述防反接电路的输入端与机载母线供电端连接，所述储能电容器的输出端与DC-DC直流模块的输入端连接；所述防反接电路用于保证直流电源输入信号正负反接时后级电路不损坏，所述浪涌抑制器用于抑制直流电源输入信号的短时高电压信号，所述储能电容器用于保持直流电源输入断电时后级电路电压稳定。
2.根据权利要求1所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述防反接电路包括两个工作模式：
正常工作模式：当直流输入电压极性正向连接时，防反接电路的输入与输出电压差在0.1V内；
反向工作模式：当直流输入电压极性反向连接时，防反接电路的前级电路与后级电路处于切断状态。
3.根据权利要求1或2所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述防反接电路包括第一NMOS管、第一稳压二极管、第一电容、第二电容以及第一～第三电阻；第一NMOS管的漏极连接防反接电路的负输入端，第一NMOS管的栅极经依次连接的第二电阻和第一电阻与防反接电路的正输入端和正输出端连接，第一NMOS管的源极连接防反接电路的负输出端，第三电阻的一端连接第一NMOS管的漏极，第三电阻的另一端经第二电容与第一NMOS管的源极连接，第一电容的一端连接第一电阻与第二电阻的公共端，第一电容的另一端连接第一NMOS管的源极，第一稳压二极管的阴极连接第一电阻与第二电阻的公共端，第一稳压二极管的阳极连接第一NMOS管的源极。
4.根据权利要求1所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述浪涌抑制器包括三个工作模式：
正常工作模式：当输入电压高于6V且低于箝位电压时，浪涌抑制器的输出跟随输入变化，输入与输出电压差在0.2V内；
浪涌抑制模式：当输入电压高于箝位电压时，浪涌抑制器以箝位电压恒压输出；
保护工作模式：当输入电压高于箝位电压超过预设时间或输入电压的浪涌能量高于浪涌抑制器中场效应管耗散功率时，电压浪涌抑制器的输出关断，当输入电压恢复到正常工作电压范围后恢复输出。
5.根据权利要求1或4所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述浪涌抑制器包括主电路和控制电路，所述主电路包括第二NMOS管、第一电感、第一二极管、第二电容以及第一～第四采样电阻；第一采样电阻的一端连接第二采样电阻的一端，第一采样电阻的另一端连接主电路的正输入端，第二采样电阻的另一端连接主电路的负输入端，主电路的负输入端连接主电路的负输出端并接地，第二NMOS管的漏极连接主电路的正输入端，第二NMOS管的源极经第一电感与主电路的正输出端连接，第一二极管的阴极连接第二NMOS管的源极，第一二极管的阳极连接主电路的负输出端，第一电容的两端分别连接主电路的正输出端和负输出端，第三采样电阻的一端连接第四采样电阻的一端，第三采样电阻的另一端连接主电路的正输出端，第四采样电阻的另一端连接主电路的负输出端，第二NMOS管的栅极连接所述控制电路的输出端。
6.根据权利要求5所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述控制电路包括第一比较器、第二比较器、反相器以及或门；所述第一比较器的负输入端的接入第一采样电阻与第二采样电阻的采样电压，第一比较器的正输入端接入基准电压，第一比较器的输出端连接反相器的输入端，反相器的输出端连接或门的第一输入端，第二比较器的负输入端接入第三采样电阻与第四采样电阻的采样电压，第二比较器的正输入端接入三角波，第二比较器的输出端连接或门的第二输入端，或门的输出端连接第二NMOS管的栅极。
7.根据权利要求1所述直流电源浪涌与断电的防护电路，其特征在于，所述储能电容器采用高能复合钽电容器。
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