CN215897581U - 一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块 - Google Patents

Abstract

一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，包括瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、控制电路和反馈电路，瞬态保护电路通过场效应晶体管连接到电流采集电路，外部输入电压Vin连接到瞬态保护电路，电流采集电路输出的电压作为综合保护模块的输出电压Vout；输出电压依次通过反馈电路、控制电路后连接到场效应晶体管，控制电路还分别连接到瞬态保护电路和电流采集电路。本方案同时具备浪涌电压和冲击电流抑制功能，可以同时抑制浪涌电压和冲击电流；冲击电流抑制电路未使用热敏电阻，不会因为飞机机载电子设备工作环境的温度变化导致阻抗的变化；且本模块体积小、重量低、功耗低，冲击电流抑制时间和大小限制值可调节。

Description

一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块

技术领域

本实用新型涉及电路保护领域，特别涉及一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块。

背景技术

飞机的机载电子设备在供电系统不可预估的意外而短暂处于失控状态，或者飞机系统中机载电子负载切换、发动机起动、转速变换、汇流条转换等引起的干扰，使供电产生超出正常的过压/欠压浪涌脉冲，机载电子设备不加保护抑制电路，过高的瞬态浪涌电压会导致机载电子设备的电子器件损坏或失效。飞机机载电子设备二次电源变换电路中会采用大容值的蓄能电容做储能、稳压，在设备开机上电的瞬间，电容电压不能突变，会产生一个很大的充电电流，即冲击电流，冲击电流时间虽然较短，如果不加保护处理，冲击电流会缩短电容及设备中其它部件的使用寿命，也会影响电源网络中其它设备，造成同一供电电源网络中设备的瞬间电压降低，形成干扰，极大降低飞机机载电子系统的机载电子安全性和可靠性。

飞机供电电源的80V/100 mS、80V/50mS、50V/50mS的浪涌电压脉冲，机载电子设备额定功率低，采用串联功率电阻、并联瞬态抑制二极管实现保护限制，过压浪涌发生时，功率电阻吸收能量，瞬态抑制二级管释放能量到大地；欠压浪涌发生时，输出电压跟随电源的输入。功率电路一直串联在电源回路中，电源在功率电阻上有一定量值功率损耗，降低电源转换的效率，功率电阻的电压差也会降低电源模块的实际输入范围；在过电压浪涌发生时，电源输入电流陡然增大，对供电网络也会产生影响。

目前航空领域，机载电子设备的供电输入端广泛采用直流浪涌抑制器进行瞬态浪涌抑制，保证输出电压使用维持在设备允许的供电范围内，超出正常供电部分的电压能量被浪涌保护器转化为热能吸收掉，欠压浪涌发生时，输出电压跟随电源的输入，但是此直流浪涌抑制器无冲击电流抑制功能，需要额外设计冲击电流抑制电路，机载电子设备限制冲击电流的简单常用方法是在设备电源输入端串联一只NTC热敏电阻，在设备冷启动时，NTC热敏电阻呈现高阻抗，将使冲击电流降低得到限制；当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高，NTC电阻阻值急剧下降，设备的冲击电流限制作用会较小。同时NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零，会产生一定功率损耗，从而影响系统的运行效率；飞机机载电子设备工作环境到为-55⁰C-70⁰C，NTC热敏元件的选用限制要求高，如果NTC热敏元件与设备的电源阻抗不匹配，设备在低温起动时，NTC热敏电阻的上电初始电阻较大，可能导致设备无法正常启动进入工作状态，增加设机载电子设备的故障率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供了一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，同时具备浪涌电压和冲击电流抑制的综合保护模块，且未使用NTC热敏电阻，并且体积小和、重量低、功耗低，冲击电流抑制时间和大小限制值可调节，解决了上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，包括瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、控制电路和反馈电路，所述瞬态保护电路通过场效应晶体管连接到电流采集电路，外部输入电压Vin连接到瞬态保护电路，电流采集电路输出的电压作为综合保护模块的输出电压Vout；

输出电压依次通过反馈电路、控制电路后连接到场效应晶体管，所述控制电路还分别连接到瞬态保护电路和电流采集电路。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述瞬态保护电路包括瞬态抑制二极管，吸收直流浪涌电压的尖峰。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述控制电路连接到场效应晶体管的栅极。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电流采集电路为串联的高精度电阻，所述电流采集电路将采集到的电流值转化为电压值输入到控制电路。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述反馈电路通过两个电阻进行分压，将输出电压Vout转化为一定比例的电压输入到控制电路。

为了更好地实现本方案，进一步地，具体为瞬态抑制二极管V1、N型MOS管N1、过压脉冲控制芯片N2，所述过压脉冲控制芯片N2内设置的模块包括电源接口、过压比较器、欠压比较器、反馈电压比较器、电流采集接口及控制模块、栅极电压输出接口、过电流/过电压计数控制模块。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电路具体为：外部输入电压Vin通过瞬态抑制二极管V1后接地，所述外部输入电压Vin连接到N型MOS管N1的漏极，N型MOS管N1的源极通过电阻R6后作为输出电压Vout，所述N型MOS管N1的栅极通过电阻R5后连接到过压脉冲控制芯片N2的栅极电压输出接口；

所述电阻R6的两端和过压脉冲控制芯片N2的电流采集接口及控制模块并联连接；所述输出电压Vout通过电阻R7后连接到过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器通过电阻R8后接地；

所述外部输入电压Vin连接到过压脉冲控制芯片N2的电源接口，所述外部输入电压Vin通过电阻R1后连接到过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器通过电阻R2后接地；所述外部输入电压Vin通过电阻R3后连接到过压脉冲控制芯片N2的过压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的过压比较器通过电阻R4后接地。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述过压脉冲控制芯片N2的过电流/过电压计数控制模块通过电容C1后接地。

本方案由于设置了以上结构的电路，同时具备浪涌电压和冲击电流抑制的作用。本方案所述的直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块的控制电路通过电流采集电路和反馈电路分别同时采集供电回路的电流值和输出电压Vout值，调节控制电路向场效应晶体管的输出电压大小，进而改变场效应晶体管的工作状态，实现同时浪涌电压和冲击电流抑制。电流采集电路和反馈电路都是通过外部连接电阻，尺寸小，采集简单，可靠性高，受温度的影响小。

并且本方案的冲击电流抑制时间和大小限制值可调节。电流采集电路使用精密电阻，实时采集电源回路的电流，转化为限流电压信号输出到控制电路。控制电路内部的基准电压与限流电压信号作比较，控制场效应管的开通和关断，达到电流限制作用。控制电流调节场效应管的工作模式为打嗝方式，调节控制电路的充电电容的容值大小，调节充电电压时间，来实现冲击电流从峰值到额定值的时间长度。

并且本方案功耗低。瞬态保护电路对供电输入的尖峰电压吸收，能量泄放到大地，输入为正常电压，瞬态抑制二极管不工作，不消耗功率。场效应晶体管串联在电源回路中，导通电阻很低，典型值为10mΩ，电流采集电路电阻根据冲击电流抑制的阙值，电阻阻值为10~50mΩ，与传统串联的欧姆量级功率电阻和压敏电阻相比，在产品正常工作时，消耗的功耗低。

本方案还能有效减小体积重量。本模块针对航空机载电子设备的电源特性技术要求，将瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、反馈电路、控制电路之间通过印制板导线相连组成直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，可以有效减少综合保护模块的重量和体积，避免传统的分立的浪涌抑制综合模块和NTC热敏电阻组成，成本偏高以及体积大，故障机会多的缺点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，同时具备浪涌电压和冲击电流抑制的综合保护模块，可以同时抑制浪涌电压和冲击电流；

2.本实用新型所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，冲击电流抑制电路未使用NTC热敏电阻，不会因为飞机机载电子设备工作环境的温度变化导致阻抗的变化；

3.本实用新型所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，体积小、重量低、功耗低，且冲击电流抑制时间和大小限制值可调节。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型的电路结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合图1至图2对本实用新型作详细说明。

实施例1

一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，如图1，包括瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、控制电路和反馈电路，所述瞬态保护电路通过场效应晶体管连接到电流采集电路，外部输入电压Vin连接到瞬态保护电路，电流采集电路输出的电压作为综合保护模块的输出电压Vout；

输出电压依次通过反馈电路、控制电路后连接到场效应晶体管，所述控制电路还分别连接到瞬态保护电路和电流采集电路。

工作原理：如图1，在场效应晶体管、电流采集电路、控制电路、反馈电路之间，通过印制板导线相连组成直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其中，瞬态保护电路选用瞬态抑制二极管，吸收尖峰，快速通过二极管将输入电源的瞬态尖峰箝制在稳定的电压数值，保护后端的场效应晶体管和控制电路不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。控制电路通过反馈电路和电流采集电路实时采集输出电源电压Vout和电源线路上的电流，与控制电路内部的设置基准电压作比较，输出连续的电压到场效应晶体管的栅极。电流采集电路为串联的高精度的电阻，将电流值转化为电压值输入到控制电路，反馈电路通过两个电阻进行分压，将输出的电压Vout转化为一定比例系数的电压输入到控制电路。

实施例2

本实施例为实施例1的进一步补充说明，所述瞬态保护电路包括瞬态抑制二极管，吸收直流浪涌电压的尖峰。

所述控制电路连接到场效应晶体管的栅极。所述电流采集电路为串联的高精度电阻，所述电流采集电路将采集到的电流值转化为电压值输入到控制电路。所述反馈电路通过两个电阻进行分压，将输出电压Vout转化为一定比例的电压输入到控制电路。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，如图2，电路包括瞬态抑制二极管V1、N型MOS场效应管N1、过压脉冲控制芯片N2，所述过压脉冲控制芯片N2内设置的模块包括电源接口、过压比较器、欠压比较器、反馈电压比较器、电流采集接口及控制模块、栅极电压输出接口、过电流/过电压计数控制模块。

电路具体为：外部输入电压Vin通过瞬态抑制二极管V1后接地，所述外部输入电压Vin连接到N型MOS场效应管N1的漏极，N型MOS场效应管N1的源极通过电阻R6后作为输出电压Vout，所述N型MOS场效应管N1的栅极通过电阻R5后连接到过压脉冲控制芯片N2的栅极电压输出接口；

所述电阻R6的两端和过压脉冲控制芯片N2的电流采集接口及控制模块并联连接；所述输出电压Vout通过电阻R7后连接到过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器通过电阻R8后接地；

所述外部输入电压Vin连接到过压脉冲控制芯片N2的电源接口，所述外部输入电压Vin通过电阻R1后连接到过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器通过电阻R2后接地；所述外部输入电压Vin通过电阻R3后连接到过压脉冲控制芯片N2的过压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的过压比较器通过电阻R4后接地。

所述过压脉冲控制芯片N2的过电流/过电压计数控制模块通过电容C1后接地。

工作原理：本方案由于设置了以上结构的电路，同时具备浪涌电压和冲击电流抑制的作用。本方案所述的直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块的控制电路通过电流采集电路和反馈电路分别同时采集供电回路的电流值和输出电压Vout值，调节控制电路向场效应晶体管的输出电压大小，进而改变场效应晶体管的工作状态，实现同时浪涌电压和冲击电流抑制。电流采集电路和反馈电路都是通过外部连接电阻，尺寸小，采集简单，可靠性高，受温度的影响小。

并且本方案的冲击电流抑制时间和大小限制值可调节。电流采集电路使用精密电阻，实时采集电源回路的电流，转化为限流电压信号输出到控制电路。控制电路内部的基准电压与限流电压信号作比较，控制场效应管的开通和关断，达到电流限制作用。控制电流调节MOS场效应管的工作模式为打嗝方式，调节控制电路的充电电容的容值大小，调节充电电压时间，来实现冲击电流从峰值到额定值的时间长度。

并且本方案功耗低。瞬态保护电路对供电输入的尖峰电压吸收，能量泄放到大地，输入为正常电压，瞬态抑制二极管不工作，不消耗功率。场效应晶体管串联在电源回路中，导通电阻很低，典型值为10mΩ，电流采集电路电阻根据冲击电流抑制的阙值，电阻阻值为10~50mΩ，与传统串联的欧姆量级功率电阻和压敏电阻相比，在产品正常工作时，消耗的功耗低。

本方案还能有效减小体积重量。本模块针对航空机载电子设备的电源特性技术要求，将瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、反馈电路、控制电路之间通过印制板导线相连组成直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，可以有效减少综合保护模块的重量和体积，避免传统的分立的浪涌抑制综合模块和NTC热敏电阻组成，成本偏高以及体积大，故障机会多的缺点。

如图2，直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块包括：过电压脉冲控制芯片N2、瞬态抑制二极管V1及一些电阻、电容。过电压脉冲控制芯片N2为凌特公司的LT4363，该芯片内置有过压比较器、欠压比较器、反馈电压比较器、电流采集接口及控制模块、栅极电压输出接口、过电流/过电压计数控制模块等。瞬态抑制二极管V1为N型MOS场效应管，具备低导通电阻，典型值为100mΩ，MOS场效应管正常导通的功耗较低，额定电流为5A。飞机供电电源提供的电压输入Vin，首先通过瞬态抑制二极管V1吸收±600V电压尖峰后，提供给N2的电源接口，通过分压电阻R1，R2调理后输入到N2的欠压比较器，通过分压电阻R3，R4调理后输入到N2的过压比较器，同时接入到MOS场效应管N1 的漏极。MOS场效应管N1 的源极串联电阻R6输出电压Vout提供给电子设备。过电压脉冲控制芯片N2同时响应电流采集接口及控制模块和反馈电压比较器的参数，实时计算栅极电压大小通过栅极电压输出接口，控制N1的工作模式。直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块设置串联电阻R6的电阻值为10mΩ，N2芯片内部根据电流采集接口的过流电压门限为50mV，供电回路的过电流门限为5A 。电子设备上电时，供电回路电流大于5A，过电压脉冲控制芯片N2控制N型MOS场效应管调节限制电流，甚至关断N型MOS场效应管，直到电流恢复到小于过电流门限，实现冲击电流的抑制作用。

飞机供电电源Vin为正常电压28V，N型MOS场效应管工作于可变电阻区，输入电压Vin在N1和R6上有很小的电压降，输出到Vout；飞机供电电源Vin为浪涌电压80V，N型MOS场效应管工作于恒流区，根据R7，R8的配置，Vout电压维持输出电压为32V，避免后级电子设备损坏。

参阅图2，外部输入电压Vin到欠压比较器之间包括：串联的两个精密有可靠性指标的厚膜电阻R1和R2。飞机供电电源提供的电压输入作为外部输入电压Vin，首先通过瞬态抑制二极管V1吸收±600V电压尖峰后，得到输入电压Vin_DC经过精密分压电阻R1，R2调理为OV_in接入到N2的过压比较器。过电压脉冲控制芯片N2的过压比较器的基准电压为1.275V，根据外部供电电源的电源特性要求，设置电子设备的过压电压为85V，可计算得到R1=66.5kΩ，R2=1kΩ。当外部供电电源的电压高于85V，通过分压电阻调理得到OV_in，高于基准电压1.275V，过电流/过电压计数控制模块启动，内部电流源对外置电容C1充电，C1充电到一定电压，则栅极电压输出电压低于N型MOS场效应管的门限电压，N型MOS场效应管关断，Vout无电压输出；当外部电压低于85V，N型MOS场效应管逐步开启，Vout有电压输出。

参阅图2，外部输入电压Vin到过压比较器之间包括：串联的两个精密有可靠性指标的厚膜电阻R3和R4。飞机供电电源提供的电压输入作为外部输入电压Vin，首先通过瞬态抑制二极管V1吸收±600V电压尖峰后，得到输入电压Vin_DC，经过精密分压电阻R3，R4调理为UV_in接入到N2的欠压比较器。过电压脉冲控制芯片N2的欠压比较器的基准电压1.275V，根据外部供电电源的电源特性要求，设置电子设备的欠压电压为7.8V，可计算得到R1=51kΩ，R2=10kΩ。当外部供电电源的电压低于7.8V，通过分压电阻调理得到UV_in低于基准电压1.275V，栅极电压输出电压低于N型MOS场效应管的门限电压，N型MOS场效应管关断，Vout无电压输出；当外部电压高于7.8V，N型MOS场效应管逐步开启，Vout有电压输出，避免后端的DC/DC变换器在电源低电压时，工作异常，甚至受损。

参阅图2，输出电压Vout到反馈电压比较器之间包括：串联的两个精密有可靠性指标的厚膜电阻R7和R8。飞机供电电源Vin为浪涌电压，为保证后续电子设备的安全和正常工作，Vout电压必须维持输出电压为32V。Vout经过精密分压电阻R7，R8调理为Vout_fb输入到N2的反馈电压比较器，基准电压1.275V，可计算得到R7=150kΩ，R8=6.2kΩ。当供电电源Vin为浪涌电压80V/50mS，过电压脉冲控制芯片N2根据反馈电压比较器输出的参数，控制N型MOS场效应管工作于恒流区，MOS场效应管的漏源极之间产生压降48V，将Vout电压维持输出电压为32V，避免后级电子设备损坏，完成直流浪涌电压保护。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，包括瞬态保护电路、场效应晶体管、电流采集电路、控制电路和反馈电路，其特征在于：所述瞬态保护电路通过场效应晶体管连接到电流采集电路，外部输入电压Vin连接到瞬态保护电路，电流采集电路输出的电压作为综合保护模块的输出电压Vout；输出电压依次通过反馈电路、控制电路后连接到场效应晶体管，所述控制电路还分别连接到瞬态保护电路和电流采集电路；

具体为瞬态抑制二极管V1、N型MOS管N1、过压脉冲控制芯片N2，所述过压脉冲控制芯片N2内设置的模块包括电源接口、过压比较器、欠压比较器、反馈电压比较器、电流采集接口及控制模块、栅极电压输出接口、过电流/过电压计数控制模块；

所述电路具体为：外部输入电压Vin通过瞬态抑制二极管V1后接地，所述外部输入电压Vin连接到N型MOS管N1的漏极，N型MOS管N1的源极通过电阻R6后作为输出电压Vout，所述N型MOS管N1的栅极通过电阻R5后连接到过压脉冲控制芯片N2的栅极电压输出接口；

所述电阻R6的两端和过压脉冲控制芯片N2的电流采集接口及控制模块并联连接；所述输出电压Vout通过电阻R7后连接到过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的反馈电压比较器通过电阻R8后接地；

所述外部输入电压Vin连接到过压脉冲控制芯片N2的电源接口，所述外部输入电压Vin通过电阻R1后连接到过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的欠压比较器通过电阻R2后接地；所述外部输入电压Vin通过电阻R3后连接到过压脉冲控制芯片N2的过压比较器，所述过压脉冲控制芯片N2的过压比较器通过电阻R4后接地。

2.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其特征在于：所述瞬态保护电路包括瞬态抑制二极管，吸收直流浪涌电压的尖峰。

3.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其特征在于：所述控制电路连接到场效应晶体管的栅极。

4.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其特征在于：所述电流采集电路为串联的高精度电阻，所述电流采集电路将采集到的电流值转化为电压值输入到控制电路。

5.根据权利要求1或4所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其特征在于：所述反馈电路通过两个电阻进行分压，将输出电压Vout转化为一定比例的电压输入到控制电路。

6.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压冲击电流抑制综合保护模块，其特征在于：所述过压脉冲控制芯片N2的过电流/过电压计数控制模块通过电容C1后接地。

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