CN220605557U - 一种机载28v直流过压浪涌抑制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，包括浪涌抑制电路、电压采样转换电路和电压比较控制电路；该浪涌抑制电路在输入端负极采用N沟道功率场效应MOS管，输入电压正常时，即等于参考值时，场效应管将进入完全导通模式，导通电阻最小，输出电压跟随输入；当输入电压高于参考值时，场效应管将进入线性导通模式，导通电阻受驱动信号影响，驱动信号越小，导通电阻越大，后级输入母线电压越小，输出电压接近设计参考值，可保证后级正常工作。该电路具有结构简单、体积小、响应速度快、输出电压稳定性高、成本低的优点。

Description

一种机载28V直流过压浪涌抑制电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种机载28V直流过压浪涌抑制电路。

背景技术

随着特种电源质量要求不断加深，客户对标准的符合程度也不断加高。针对机载设备的特殊应用环境，行业内用户单位一般采用GJB181B-2012标准对设备予以限制和检测。该标准是专门针对机载设备的种类，供电特性和用电设备提出了各类专项要求，其中有一项为浪涌电压下50ms不间断工作要求。

目前业内完成系统输入电压过高时，设备输入端被钳位在安全工作范围内，而后级用电设备产品则可保障少量时间的正常工作，供电任务得以短时间持续执行，一般采用以下几种方法：

(1)被动器件抑制方案

在电源输入端并联电压钳位器件，这些器件一般属于瞬态保护器件，如瞬态电压抑制二极管，压敏电阻等。其工作机理在于：当正常情况下，输入电压低于器件钳位电压，器件不工作，相当于开路，对整个线路无影响。当出现浪涌时，器件快速导通吸收浪涌电压，将电压限制在安全范围内，从而起到保护用电设备的作用。但是由于出现浪涌时瞬态能量较大，钳位器件导通电流也大，承受的功耗过大会加快器件老化，性能衰减及可靠性下降。同时，器件钳位电压精度普遍不高，不适合精度要求较高的电子设备中。

(2)Buck电路二级协同抑制方案

在输入和用电电源间增加一级Buck降压变换器。当正常情况时，Buck降压变换器不工作，Buck开关管常开，输入电压等于后级用电设备。当出现浪涌时，因Buck变换器存在的原因，进行一级降压变换，可以保障中间母线(后级电源的输入电压)的稳定和安全。但是，Buck降压变换器会增加较多器件，且控制复杂，不利于当下产品小型化，集成化和轻便化的趋势。

(3)基于场效应管的浪涌抑制电路方案

在输入线正线端串入适当控制的功率场效应管，通过钳位电路，驱动电路，控制开关管的导通，从而确保后级电源输入电压处于正常工作电压范围内。但是该方案中由于钳位电路主要由三极管及稳压管等分立器件组合而成，受该类器件精度差异和温度特性较差的影响，往往钳位电压在高低温工况下存在波动进而影响后级电源的输入电压的稳定性。同时，由于功率管处于正线端，高端驱动电路存在一定复杂性，甚至会采用专用集成驱动芯片予以解决驱动问题，控制复杂，成本较高，且无法有效涵盖到更高浪涌电压要求，可塑性不强。

综上所述，现有的电路存在控制复杂、成本较高、精度低、不利于产品小型化、集成化和轻便化的问题，因此，需要提出一种结构简单、输出电压稳定的机载直流浪涌抑制电路。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，具有结构简单、体积小、响应速度快、输出电压稳定性高、成本低的优点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，包括浪涌抑制电路、电压采样转换电路和电压比较控制电路；

浪涌抑制电路，与电压反馈控制电路的信号输出端相连，用于接收控制信号，并根据接收的信号大小改变场效应管的等效导通电阻，对输入的浪涌电压进行抑制，从而控制后级输入母线电压大小，输出稳定的直流电压；

电压采样转换电路，与所述浪涌抑制电路的电压输出端相连，用于采集浪涌抑制电路输出端的电压，并将该电压转换成和后级输入母线对应的电压，并作为采样值送入电压反馈控制电路；

电压比较控制电路，与所述电压采样转换电路的电压输出端相连，将接收到的电压采样值与基准参考电压进行比较，并根据比较结果产生相应的控制信号，输入到浪涌抑制电路中。

进一步，还包括输入滤波电路，与所述浪涌抑制电路的电压输入端连接，用于对输入的直流电进行滤波，从而输出稳定的直流电压。

进一步，还包括电源电路，与所述输入滤波电路的输出端连接，同时也与电压采样转换电路和电压反馈控制电路的电源输入端连接，用于为电压采样转换电路和电压反馈控制电路提供电源。

进一步，所述浪涌抑制电路包括依次连接输入电路、开关管驱动电路和输出电路，其中输入电路包括并联的直流电压V3和电容C9；输出电路包括滤波电容C8，VOUT+和VOUT-分别为直流输出端的正极和负极,输入电路和输出电路的正极连接在同一个节点，输入电路的负极接地，开关管驱动电路包括功率管Q1，功率管Q1的漏极和输出电路的负极连接，功率管Q1的源极和输入电路的负极连接，在功率管Q1的源极和栅极之间连接放电参考电阻R15,驱动电阻R16一端接电压反馈控制电路的PWM信号，另一端连接到放电参考电阻R15和功率管Q1的栅极连接处。

进一步，所述电压采样转换电路包括电压采样电路和电压匹配转换电路，所述电压采样转换电路包括由电阻R22和电阻R21组成的串联电路，以及电压控制电压源E1，所述浪涌抑制电路的电压输出端与串联电路并联，电阻R22和电阻R21的连接处接到电压控制电压源E1的正端，电压控制电压源E1的负端接地；电压控制电压源E1的电压输出端接电压匹配转换电路；

电压匹配转换电路包括运放X3，在运放X3的两输入端并联电容C12，电阻R20一端接电压控制电压源E1的输出端，另一端接运放X3的同相端，运放X3的同相端连接由电阻R24与电容C15组成的并联电路的一端，并联电路的另一端接地，同时与运放X3的反相端之间串联电阻R19,运放X3的反相端和输出端之间连接由电阻R18和电容C13组成的并联电路，运放X3的直流电源正端接VCC，运放X3的直流电源负端接地，在运放X3的直流电源负端和正端之间并接电容C11，运放X3的输出端接滤波电容C10的一端，滤波电容C10的另一端接地，运放X3的输出端输出信号VOUT_SAM到电压反馈控制电路。

进一步，所述电压比较控制电路包括电压基准产生电路和电压反馈控制电路，电压基准产生电路包括稳压集成器E2、电压源V1，稳压集成器E2的阳极和阴极之间连接电压源V1，稳压集成器E2的阳极接直流电源VCC；

电压反馈控制电路包括运放X1，运放X3的输出端和运放X1的反相端之间接电阻R4，运放X1的同相端连接电阻R6，运放X1的输出端和反相端之间串联电阻R5和电容C3，运放X1的直流正极和负极之间连接电容C2，运放X1的输出端连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接三极管Q2和三极管Q3的基极，三极管Q2和三极管Q3的发射极相连且相连处的中间作为PWM信号输出端，三极管Q3的集电极和运放X1的直流负极共同接地，三极管Q2和运放X1的直流正极共同接直流电压VCC。

进一步，所述三极管Q2为NPN三极管，三极管Q3为PNP三极管，运放X1为OP37精密高速运算放大器。

进一步，所述功率管Q1采用N沟道功率场效应管。

本申请采用以上技术方案，至少具有如下有益效果：

本实用新型在输入电压正常时，即等于参考值时(参考值根据需求设定)，如28V时，场效应管将进入完全导通模式，导通电阻最小，后级输入母线电压接近28V，输出电压跟随输入；当输入电压高于参考值时，场效应管将进入线性导通模式，导通电阻受驱动信号影响，驱动信号越小，导通电阻越大，后级输入母线电压越小，输出电压接近设计参考值，可保证后级正常工作。

本实用新型无需专门的驱动芯片、复杂的自举供电或隔离设计即可满足功率场效应管的驱动要求，且不受输入母线电压影响，解决了高端驱动复杂和可塑性问题；该电路摒弃如压敏电阻，瞬态二极管，三极管，稳压管等器件选用，进行合理的线路组合和高精度器件的选择，解决电压控制精度和电压稳定性的问题；该电路有效控制器件数量和类型，可选用普通表贴型器件即可完成功能应用，大幅度减少元器件占用的PCB面积大小，解决小型化，集成化和轻便化问题。

本设计线路灵活可靠，便于应用拓展，调试和维护，成本较低，所用技术方案在保证满足GJB181B-2012《飞机供电特性》中浪涌电压不间断工作要求的基础上，还能简化驱动设计，保证后级母线电压控制精度和电压稳定性，减小器件数量，实用性更强。同时，调试简单，维修方便，可有效拓展更高浪涌等级电压，且不受器件特性影响，可塑性强。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型的浪涌抑制电路图；

图3为本实用新型的电压采样转换电路图；

图4为本实用新型的电压比较控制电路图；

图5为本实用新型的浪涌电压为80V的抑制实验效果图；

图6为本实用新型的浪涌电压为120V的抑制实验效果图；

图7为本实用新型的正常电压为28V的抑制实验效果图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型提供了一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，该浪涌抑制电路在输入端负极采用N沟道功率场效应MOS管，辅以简单控制电路组合而成，通过调整MOS管驱动电压以改变MOS管的导通电阻大小：当输入电压正常时，即等于参考值时(参考值根据需求设定)，如28V时，场效应管将进入完全导通模式，导通电阻最小，后级输入母线电压接近28V，输出电压跟随输入；当输入电压高于参考值时，场效应管将进入线性导通模式，导通电阻受驱动信号影响，驱动信号越小，导通电阻越大，后级输入母线电压越小，输出电压接近设计参考值，可保证后级正常工作。因此，该电路重点在于场效应MOS管接收到相应的控制信号，通过改变MOS管的等效导通电阻，从而起到控制后级输入母线的稳定和安全的作用。另外，因为将场效应MOS管放置在负端，驱动栅极电压，参考地即为输入地，所以驱动方式简单，且不受高端电压等级的影响。

如图1所示，一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，包括浪涌抑制电路、电压采样转换电路和电压反馈控制电路；浪涌抑制电路，与电压反馈控制电路的信号输出端相连，用于接收控制信号，并根据接收的信号大小改变场效应管的等效导通电阻，对输入的浪涌电压进行抑制，从而控制后级输入母线电压大小，输出稳定的直流电压；电压采样转换电路，与所述浪涌抑制电路的电压输出端相连，用于采集浪涌抑制电路输出端的电压，并将该电压转换成和后级输入母线对应的电压，并作为采样值送入电压反馈控制电路；电压反馈控制电路，与所述电压采样转换电路的电压输出端相连，将接收到的电压与基准参考电压进行比较，并根据比较结果产生相应的控制信号，输入到浪涌抑制电路中。

为了使输入到浪涌抑制电路的直流电压无杂波无干扰，更稳定，在直流电压和浪涌抑制电路之间还可接入输入滤波电路，用于对输入的直流电进行滤波，从而输出稳定的直流电压。

对于本实用新型，电压采样转换电路和电压反馈控制电路要正常工作，还需要提供工作电源即电源电路，电源电路输入电源和浪涌抑制电路的输入电源一致，均由输入滤波电路的输出端输出。本实施例中电源电路采用现有的电路即可实现，且实现方式多种多样，简单易懂，可不作为本实用新型限制部分，故用V1代表控制所需供电电压。

如图2所示，本实施例中浪涌抑制电路包括依次连接输入电路、开关管驱动电路和输出电路，其中输入电路包括并联的直流电压V3和电容C9；输出电路包括滤波电容C8，VOUT+和VOUT-分别为直流输出端的正极和负极,输入电路和输出电路的正极连接在同一个节点，输入电路的负极接地，开关管驱动电路包括功率管Q1，功率管Q1的漏极和输出电路的负极连接，功率管Q1的源极和输入电路的负极连接，在功率管Q1的源极和栅极之间连接放电参考电阻R15,驱动电阻R16一端接电压反馈控制电路的PWM信号，另一端连接到放电参考电阻R15和功率管Q1的栅极连接处。在图2中，V3代表输入端电压，正常情况输入直流电压为28V，当出现浪涌时，如果不采取抑制措施，就会使后面的设备无法正常工作，在这里电阻R17可模拟后端DC/DC变换器，因此在具体的电路中R17是没有的。Q1为功率场效应管，采用N沟道功率场效应管，PWM为电压反馈控制电路送给的驱动信号。驱动信号的高低可以控制Q1导通电阻大小，进而控制后级输入母线电压大小，即Vout+与Vout-之间的差值，

如图3所示，电压采样转换电路分为两部分，第一部分为由电阻R22，R21及电压控制电压源E1(实际可用线性采样器代替)构成后级母线电压采样转换电路。第二部分为由运算放大器X3及其周边器件构成电压匹配转换电路。电路输出信号VOUT_SAM可与后级输入母线电压成比例关系，即可代表后级母线电压，并作为控制信号送入电压反馈控制电路。

具体地，电压采样转换电路包括由电阻R22和电阻R21组成的串联电路，以及电压控制电压源E1，所述浪涌抑制电路的电压输出端与串联电路并联，电阻R22和电阻R21的连接处接到电压控制电压源E1的正端，电压控制电压源E1的负端接地；电压控制电压源E1一输出端接地。

电压匹配转换电路包括运放X3，在运放X3的两输入端并联电容C12，电阻R20一端接电压控制电压源E1的另一输出端，另一端接运放X3的同相端，运放X3的同相端连接由电阻R24与电容C15组成的并联电路的一端，并联电路的另一端接地，同时与运放X3的反相端之间串联电阻R19,运放X3的反相端和输出端之间连接由电阻R18和电容C13组成的并联电路，运放X3的直流电源正端接VCC，运放X3的直流电源负端接地，运放X3的输出端接并联电容C10、电容C11，并联电容C10、电容C11的一端接直流电源正端VCC，另一端接地，运放X3的输出端输出信号VOUT_SAM到电压反馈控制电路。

如图4所示，电压比较控制电路包括电压基准产生电路和电压反馈控制电路，电压基准产生电路包括稳压集成器E2、电压源V1，稳压集成器E2的阳极和阴极之间连接电压源V1，稳压集成器E2的阳极接直流电源VCC；稳压集成器E2可采用TL431，精度高，稳定性强。

电压反馈控制电路由运放X1及其周边器件构成，主要的作用是得到合适的PWM输出信号，使采样值尽可能接近基准值，从而控制后级母线电压的稳定，保障电压的安全驱动。

电压反馈控制电路包括运放X1，运放X3的输出端和运放X1的反相端之间接电阻R4，运放X1的同相端连接电阻R6，运放X1的输出端和反相端之间串联电阻R5和电容C3，运放X1的直流正极和负极之间连接电容C2，运放X1的输出端连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接三极管Q2和三极管Q3的基极，三极管Q2和三极管Q3的发射极相连且相连处的中间作为PWM信号输出端，三极管Q3的集电极和运放X1的直流负极共同接地，三极管Q2和运放X1的直流正极共同接直流电压VCC。在本实施例中，三极管Q2为NPN三极管，三极管Q3为PNP三极管，运放X1采用OP37精密高速运算放大器。

本实施例，以机载28V输入直流母线应用为例。按上述各部分进行电路搭建，满足GJB181B-2012《飞机供电特性》浪涌电压不间断工作要求，应满足如下两个限制条件：

(1)当输入电压正常时，即后级DC/DC变换器正常工作输入电压范围一般为18V～36V，后级母线输入电压可以尽量与之相等，这就要求PWM信号幅值最大，导通电阻最小，可认为Q1完全导通。

(2)当输入电压按GJB181B-2012电压浪涌给定，即28V～80V/80V持续时间50ms，需保证后级输入电压采样的用电安全，PWM信号幅值应减小，这就要求PWM信号减小，导通电阻随之变大，尽量接近Q1场效应管栅极驱动阈值，保障后端母线安全。

下面主要阐述完成整个电压抑制电路关键参数设计，在电压匹配转换电路中：

其中，R18/R24为比例系数，可以根据实际采样电压大小进行调整，本例中比例系数为1。

其中gain取决于电压受控源自身增益，本例中取1。

本实用新型中，基准电压Vref假设为2.5V，即为E2的输出电压。

Vref该值作为基准电压引入到运放X1的同相端，与VOUT_SAM相比较计算。当VOUT_SAM小于Vref，说明后级母线电压低于基准电压，PWM幅值向上输出，增加后级母线电压；当VOUT_SAM大于Vref，说明后级母线电压大于基准电压，PWM幅值向下输出，减小后级母线电压。

当然，基准电压可任意设计，可采用现有技术能实现，在此不再赘述。

综上所述，完成整个电压抑制电路关键参数设计。

因此，在满足上述前提条件下，其工作原理为：直流电源经滤波器滤波后，输出到浪涌抑制电路，电压采样转换电路将采集浪涌抑制电路输出端的电压，并将该电压转换成和后级输入母线对应的电压，并作为采样值送入电压反馈控制电路，在电压反馈控制电路里，将采样值和参考值进行比较，比如参考值为28V，如果相等，电压反馈控制电路将输出一个较大的PWM信号到浪涌抑制电路，这样场效应管将进入完全导通模式，导通电阻最小，后级输入母线电压接近28V。当采样值大于参考值，比如采样值为80V时(GJB181B不间断工作浪涌电压要求)，电压反馈控制电路将输出一个较小的PWM信号到浪涌抑制电路，这样场效应管将进入线性导通模式，导通电阻受驱动信号影响，驱动信号越小，导通电阻越大，后级输入母线电压越小，接近设计参考值，作为后级输入母线再分别引入到DC/DC模块变换器中，最终完成电压隔离转换和功率输出的应用需求。

如图5所示，仿真模拟了GJB181B输入电压变化过程。结果显示当电压处于80V浪涌电压时，后级母线电压并未跟随上升，而是受到浪涌电压抑制线路的影响，获得一个稳定安全与设计目标一致的输入电压。由此可证明上述抑制电压设计方法的可行性和可靠性。

如图6所示，仿真模拟了出现更高浪涌电压等级输入电压变化过程。结果显示即使当电压处于120V浪涌电压时，后级母线电压亦并未跟随上升，而是受到电压抑制线路的影响，获得一个稳定安全与设计目标一致的输入电压，由此可证明上述抑制电压方法的可塑性和拓展能力。

如图7所示，仿真模拟了出现在正常工作电压范围内，输出电压跟随输入电压。

采用本实用新型所示的浪涌电压抑制电路，与目前常用的采用凌特LTC4356系列控制芯片抑制方法相比，采用N沟道功率场效应管，在输入电压等于预设值时，MOS管直通，输入输出电压跟随输入；当输入电压高于参考值时，场效应管将进入线性导通模式，导通电阻受驱动信号影响，驱动信号越小，导通电阻越大，输出电压为预设值，使得MOS管选型不再受到安全工作区限制，可以选择导通电阻较小的器件，可有效降低损耗，提高可靠性提高浪涌抑制电路的可靠性与效率。

本实用新型在正常输入电压范围内，降压电感和输出电容亦可组成低通滤波器，有利于抑制电磁干扰。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，包括浪涌抑制电路、电压采样转换电路和电压比较控制电路；

浪涌抑制电路，与电压反馈控制电路的信号输出端相连，用于接收控制信号，并根据接收的信号大小改变场效应管的等效导通电阻，对输入的浪涌电压进行抑制，从而控制后级输入母线电压大小，输出稳定的直流电压；

电压采样转换电路，与所述浪涌抑制电路的电压输出端相连，用于采集浪涌抑制电路输出端的电压，并将该电压转换成和后级输入母线对应的电压，并作为采样值送入电压反馈控制电路；

电压比较控制电路，与所述电压采样转换电路的电压输出端相连，将接收到的电压采样值与基准参考电压进行比较，并根据比较结果产生相应的控制信号，输入到浪涌抑制电路中。

2.根据权利要求1所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，还包括输入滤波电路，与所述浪涌抑制电路的电压输入端连接，用于对输入的直流电进行滤波，从而输出稳定的直流电压。

3.根据权利要求2所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，还包括电源电路，与所述输入滤波电路的输出端连接，同时也与电压采样转换电路和电压反馈控制电路的电源输入端连接，用于为电压采样转换电路和电压反馈控制电路提供电源。

4.根据权利要求1所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，所述浪涌抑制电路包括依次连接输入电路、开关管驱动电路和输出电路，其中输入电路包括并联的直流电压V3和电容C9；输出电路包括滤波电容C8，VOUT+和VOUT-分别为直流输出端的正极和负极,输入电路和输出电路的正极连接在同一个节点，输入电路的负极接地，开关管驱动电路包括功率管Q1，功率管Q1的漏极和输出电路的负极连接，功率管Q1的源极和输入电路的负极连接，在功率管Q1的源极和栅极之间连接放电参考电阻R15,驱动电阻R16一端接电压反馈控制电路的PWM信号，另一端连接到放电参考电阻R15和功率管Q1的栅极连接处。

5.根据权利要求1所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，所述电压采样转换电路包括电压采样电路和电压匹配转换电路，所述电压采样转换电路包括由电阻R22和电阻R21组成的串联电路，以及电压控制电压源E1，所述浪涌抑制电路的电压输出端与串联电路并联，电阻R22和电阻R21的连接处接到电压控制电压源E1的正端，电压控制电压源E1的负端接地；电压控制电压源E1的电压输出端接电压匹配转换电路；

电压匹配转换电路包括运放X3，在运放X3的两输入端并联电容C12，电阻R20一端接电压控制电压源E1的输出端，另一端接运放X3的同相端，运放X3的同相端连接由电阻R24与电容C15组成的并联电路的一端，并联电路的另一端接地，同时与运放X3的反相端之间串联电阻R19,运放X3的反相端和输出端之间连接由电阻R18和电容C13组成的并联电路，运放X3的直流电源正端接VCC，运放X3的直流电源负端接地，在运放X3的直流电源负端和正端之间并接电容C11，运放X3的输出端接滤波电容C10的一端，滤波电容C10的另一端接地，运放X3的输出端输出信号VOUT_SAM到电压反馈控制电路。

6.根据权利要求1所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，所述电压比较控制电路包括电压基准产生电路和电压反馈控制电路，电压基准产生电路包括稳压集成器E2、电压源V1，稳压集成器E2的阳极和阴极之间连接电压源V1，稳压集成器E2的阳极接直流电源VCC；

电压反馈控制电路包括运放X1，运放X3的输出端和运放X1的反相端之间接电阻R4，运放X1的同相端连接电阻R6，运放X1的输出端和反相端之间串联电阻R5和电容C3，运放X1的直流正极和负极之间连接电容C2，运放X1的输出端连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接三极管Q2和三极管Q3的基极，三极管Q2和三极管Q3的发射极相连且相连处的中间作为PWM信号输出端，三极管Q3的集电极和运放X1的直流负极共同接地，三极管Q2和运放X1的直流正极共同接直流电压VCC。

7.根据权利要求6所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，所述三极管Q2为NPN三极管，三极管Q3为PNP三极管，运放X1为OP37精密高速运算放大器。

8.根据权利要求4所述的机载28V直流过压浪涌抑制电路，其特征在于，所述功率管Q1采用N沟道功率场效应管。