WO2023087835A1 - 星载二次电源单粒子瞬态抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及星载电源技术领域的一种星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，包括：功率变换单元（103）；脉宽调制单元（102），所述脉宽调制单元（102）的输出端与所述功率变换单元（103）连接；单粒子瞬态抑制单元（101），所述单粒子瞬态抑制单元（101）与所述脉宽调制单元（102）的缓启端连接。本发明可有效解决星载二次电源因单粒子效应而产生的载荷供电瞬态中断或异常的问题。

Description

星载二次电源单粒子瞬态抑制电路

本申请要求于2021年11月16日提交中国专利局、申请号为202111351698.8、申请名称为“星载二次电源单粒子瞬态抑制电路”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种星载二次电源单粒子瞬态抑制电路。

背景技术

航天器二次电源中广泛使用宇航级脉宽调制器作为二次电源脉宽调制器，该器件是二次电源工作的核心器件，主要具有产生功率变换的驱动信号、稳定控制输出电压、电源的缓启动等核心功能。在脉宽调制器的常用电路中，脉宽调制器的缓启端连接电容器，限制二次电源启动过程中脉冲展开速度，避免启动电流过大导致脉宽调制器过流保护。但当发生单粒子瞬态效应时，根据脉宽调制器的内部电路逻辑，缓启端的电容会先放电然后再充电。在此期间脉宽调制器无驱动脉冲信号输出，导致二次电源的输出电压快速下降，引起供电载荷工作中断或异常，严重影响了星载供电系统的可靠性。

中国专利CN107241014A公开了一种用于SCR脉宽调制器的单粒子瞬态效应抵抗电路。该电路包括：P型三极管Q1，其发射极与UC1846/7的COM端相连，集电极与公共地相连，基极与软启动电容C1相连；RC缓冲器，其耦合在UC1846/7的基准电压和公共地之间。还包括外部故障检测和关断触发电路，它与软启动电容并联耦合以用于当检测到过流或过压时对软启动电容放电，使电源断电重启以保护电源及负载。该技术主要针对采用可控硅（SCR）结构进行过流保护的脉宽调制器，当脉宽调制器在遇到单粒子翻转（SEU）事件时，由于软启动电容C1不与SCR相连，所以无法通过SCR放电。

技术问题

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，可有效抑制星载二次电源的脉宽调制器发生单粒子效应导致的输出电压快速下降，并解决因输出电压快速下降导致的载荷供电中断或异常的问题。

技术解决方案

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，包括：

功率变换单元；

脉宽调制单元，所述脉宽调制单元的输出端与所述功率变换单元连接；

单粒子瞬态抑制单元，所述单粒子瞬态抑制单元与所述脉宽调制单元的缓启端连接。

根据本发明的一个方面，所述单粒子瞬态抑制单元包括串联的电阻和电容，

所述电阻的一端与所述脉宽调制单元的缓启端连接，另一端与所述电容的一端连接；

所述电容的另一端接地。

根据本发明的一个方面，所述电阻的阻值大于

。

根据本发明的一个方面，所述脉宽调制单元包括缓启端、第一恒流源、第二恒流源、第一开关、第二开关、第一比较器、第二比较器和脉冲发生器；

所述第一恒流源的一端与所述第一开关的一端连接，

所述第二恒流源的一端与所述第二开关的一端连接，另一端和所述第一开关的另一端共同连接至所述第一比较器与所述第二比较器的第一输入端和所述缓启端；

所述第二开关的另一端接地；

所述第一比较器的第二输入端连接至阈值电压电源，所述第二比较器的第二输入端连接至重启电压电源；

所述第一比较器和所述第二比较器的输出端共同连接至所述脉冲发生器的输入端。

根据本发明的一个方面，所述第一恒流源是15μA恒流源，所述第二恒流源是250μA恒流源。

根据本发明的一个方面，通过所述脉冲发生器的输出端与功率变换单元的输入端相连，使所述脉宽调制单元与所述功率变换单元连接。

根据本发明的一个方面，所述脉宽调制单元正常工作时，第一开关闭合、第二开关断开，所述脉宽调制单元的脉冲发生器产生脉冲信号，并驱动所述功率变换单元使所述二次电源稳定输出电压。

根据本发明的一个方面，所述脉宽调制单元发生单粒子效应时，第一开关断开、第二开关闭合，电容通过250μA恒流源进行放电，使缓启端的电压快速下降至重启电压，所述放电的公式为：

其中，t0表示所述电容开始放电的时刻，Vc表示电容电压，t表示放电时间，Vss2表示缓启端电压。

根据本发明的一个方面，所述缓启端的电压快速下降至重启电压时，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述电容通过15μA恒流源进行充电，使所述缓启端的电压快速上升至阈值电压，所述充电的公式为：

其中，t2表示所述电容开始充电的时刻，t表示充电时间，Vss1表示缓启端电压。

根据本发明的一个方面，所述脉宽调制单元为脉宽调制器UC1825AL。

有益效果

根据本发明的方案，通过将单粒子瞬态抑制单元电路连接至脉宽调制单元电路，在缓启端的电容上串联无源电阻元器件，可有效解决星载二次电源因单粒子效应而产生的载荷供电瞬态中断或异常的问题。再结合脉宽调制单元电路的恒流源结构，可有效抑制星载二次电源脉宽调制单元电路发生单粒子效应的输出电压快速下降，极大增强了星载二次电源的供电稳定性和可靠性。本发明设计的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，电路结构简单、成本低，在空间单粒子影响的环境下依然能很可靠地为星载电子设备稳定供电。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路的单元组成示意图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路的结构示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的星载二次电源在未设置单粒子瞬态抑制单元电路时的输出电压波形图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路充放电的工作等效模型；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路与未设置单粒子瞬态抑制单元电路的星载二次电源电路的输出电压波形的对比效果图。

本发明的实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

图1示意性表示本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路的单元组成示意图，图2示意性表示本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路的结构示意图。

如图1所示，本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路包括：功率变换单元103、脉宽调制单元102和单粒子瞬态抑制单元101。其中，脉宽调制单元102的输出端与功率变换单元103连接，单粒子瞬态抑制单元101与脉宽调制单元102的缓启端连接，如图2所示。脉宽调制单元102通过产生脉冲信号来驱动功率变换单元103，使二次电源的输出端维持稳定的电压输出。当脉宽调制单元102发生单粒子效应时，与该脉宽调制单元102的缓启端相连接的单粒子瞬态抑制单元101可有效抑制星载二次电源脉宽调制单元102因单粒子效应而产生的输出电压下降的问题，极大增强了星载二次电源的供电稳定性和可靠性。

如图2所示，本实施方式的单粒子瞬态抑制单元101是由串联的电阻Rss和电容Css组成的电路。该电阻Rss的一端与脉宽调制单元102的缓启端连接，电阻Rss的另一端与电容Css的一端连接。电容Css的另一端接地。

本实施方式的脉宽调制单元102采用脉宽调制器UC1825AL，功率变换单元103采用脉宽调制器UC1825AL常用的外围功率变换电路。如图2所示，该脉宽调制器UC1825AL（以下或称脉宽调制器）的电路结构具体包括：缓启端、15μA恒流源、250μA恒流源、第一开关、第二开关、第一比较器、第二比较器和脉冲发生器。

其中，15μA恒流源的一端与第一开关的一端连接。

250μA恒流源的一端与第二开关的一端连接，250μA恒流源的另一端和第一开关的另一端共同连接到第一比较器的第一输入端、第二比较器的第一输入端和缓启端上，或者是说，250μA恒流源的另一端、第一开关的另一端、第一比较器的第一输入端、第二比较器的第一输入端和缓启端共同连接到一个电路节点上。

第二开关的另一端接地。

第一比较器的第二输入端连接至阈值电压电源，第二比较器的第二输入端连接至重启电压电源。第一比较器的输出端和第二比较器的输出端共同连接至脉冲发生器的输入端。脉冲发生器的输出端与功率变换电路的输入端连接，使得脉宽调制单元与功率变换电路连接。

当脉宽调制器UC1825AL正常工作时，第一开关K1闭合，第二开关K2断开，此时，缓启端的电压Vss为定值Vnom，脉宽调制器UC1825AL的脉冲发生器产生使脉宽调制单元驱动功率变换电路、维持二次电源输出端电压稳定的脉冲信号。

以下先对未设置单粒子瞬态抑制单元的脉宽调制器UC1825AL发生单粒子效应时的工作原理进行阐述和说明。图3示意性表示本实施方式的星载二次电源在未设置单粒子瞬态抑制单元电路时的输出电压波形图。

如图3所示，当在t0时刻，空间环境中的高能粒子打到脉宽调制器中脉冲发生器内部的锁存器（图2中未示出）时，锁存器输出翻转，脉宽调制器处于故障模式，即脉宽调制器无驱动脉冲信号输出。此时，脉宽调制器的缓启端连接的电容通过250μA恒流源放电，导致脉宽调制器UC1825AL缓启端的电压Vss从定值Vnom缓慢下降至重启电压Vrestart，这时锁存器状态更新。之后，脉宽调制器的缓启端连接的电容通过15μA恒流源充电，缓启端的电压Vss缓慢升高，当电压Vss达到脉宽调制器开启的阈值电压Vth时，脉宽调制器再次产生驱动脉冲信号，此时认为脉宽调制器完成一次重启动过程。在脉宽调制器没有产生驱动脉冲期间（t0～t3），即重启动期间，二次电源的输出电压会快速下降至零，直到脉宽调制器缓启端电压Vss达到阈值电压Vth，输出电压重新缓慢上升。这样，二次电源在发生单粒子效应时会发生瞬态掉电而导致无法稳定供电的问题。

以下对本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路发生单粒子效应时的工作原理进行阐述和说明。

当脉宽调制器UC1825AL发生单粒子效应时，第一比较器和第二比较器都输出高电平，此时第一开关K1断开，第二开关K2闭合，单粒子瞬态抑制电路中的电容Css通过250μA恒流源进行放电，如图4的（4b）所示。图4的（4b）示意性表示本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路放电的工作等效模型。此时，脉宽调制器UC1825AL无脉冲输出，缓启端的电压和二次电源输出端的电压都开始下降。其中，放电的公式为：

 

其中，t0表示二次电源的输出电压开始下降的时刻，Vc表示电容电压，t表示放电时间，Vss2表示缓启端电压。

由上述公式可知，由于单粒子瞬态抑制电路中的电阻Rss连接在脉宽调制器UC1825AL的缓启端处，250μA恒流源在电阻Rss上瞬间产生电压。因此，缓启端的电压Vss根据上述放电公式快速下降，并被快速拉低至重启电压Vrestart。此时，第一比较器输出高电平，第二比较器输出低电平，第一开关K1闭合，第二开关K2断开，单粒子瞬态抑制电路中的电容Css通过脉宽调制器UC1825AL的15μA恒流源进行充电，如图4的（4a）所示，使缓启端的电压上升。图4的（4a）示意性表示本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路充电的工作等效模型。其中，充电的公式为：

 

其中，t2表示所述电容开始充电的时刻，t表示充电时间，Vss1表示缓启端电压。

由于电阻Rss的存在，电容Css的放电时间很短，单粒子瞬态抑制电路中的电容器Css两端的电压下降很小，所以，当15μA恒流源充电时，电容会快速充电，电容两端的电压快速升高。根据上述充电公式，缓启端的电压升高并达到阈值电压Vth时，第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平，脉宽调制器UC1825AL内脉冲发生器的脉冲信号也在短时间内恢复，从而避免二次电源的输出电压跌落。

由此可知，通过调节电阻Rss的阻值大小可调整脉宽调制器UC1825AL的重启时间。由如图2所示的电路可知，脉宽调制器UC1825AL的放电电流为250μA，脉宽调制器UC1825AL正常工作时，缓启端的电压为Vss=Vnom=5V。考虑极限值，根据以下的电阻公式，可以计算出单粒子瞬态抑制电路中的电阻阻值，为：

因此，当电阻阻值

时，脉宽调制器UC1825AL的重启时间几乎为零，也就是如图3所示的t0至t3间的时间几乎为零，如图5的（5b）所示。图5示意性表示本实施方式的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路与未设置单粒子瞬态抑制单元电路的星载二次电源电路的输出电压波形的对比效果图。其中，图（5a）、图（5b）分别是未设置和设置了单粒子瞬态抑制单元的电路输出电压波形的示意图。如图5所示，与图（5a）中未设置单粒子瞬态抑制单元的电路相比，在发生单粒子效应时，图（5b）中二次电源的输出电压波动极小，可以很可靠地为星载电子设备持续提供稳定的电源电压。

优选地，若考虑电阻容差及高低温下电子元器件的温度漂移，该电路中的电阻Rss取值为

。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，包括：

   功率变换单元（103）；

   脉宽调制单元（102），所述脉宽调制单元（102）的输出端与所述功率变换单元（103）连接；

   单粒子瞬态抑制单元（101），所述单粒子瞬态抑制单元（101）与所述脉宽调制单元（102）的缓启端连接。
2. 根据权利要求1所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述单粒子瞬态抑制单元（101）包括串联的电阻（Rss）和电容（Css），

   所述电阻（Rss）的一端与所述脉宽调制单元的缓启端连接，另一端与所述电容（Css）的一端连接；

   所述电容（Css）的另一端接地。
3. 根据权利要求2所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述电阻（Rss）的阻值大于

   

   。
4. 根据权利要求1所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述脉宽调制单元（102）包括缓启端、第一恒流源、第二恒流源、第一开关（K1）、第二开关（K2）、第一比较器、第二比较器和脉冲发生器；

   所述第一恒流源的一端与所述第一开关（K1）的一端连接，

   所述第二恒流源的一端与所述第二开关（K2）的一端连接，另一端和所述第一开关（K1）的另一端共同连接至所述第一比较器与所述第二比较器的第一输入端和所述缓启端；

   所述第二开关（K2）的另一端接地；

   所述第一比较器的第二输入端连接至阈值电压电源，所述第二比较器的第二输入端连接至重启电压电源；

   所述第一比较器和所述第二比较器的输出端共同连接至所述脉冲发生器的输入端。
5. 根据权利要求4所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述第一恒流源是15μA恒流源，所述第二恒流源是250μA恒流源。
6. 根据权利要求4所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，通过所述脉冲发生器的输出端与功率变换单元（103）的输入端相连，使所述脉宽调制单元（102）与所述功率变换单元（103）连接。
7. 根据权利要求1至6任一项所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述脉宽调制单元（102）正常工作时，第一开关（K1）闭合、第二开关（K2）断开，所述脉宽调制单元（102）的脉冲发生器产生脉冲信号，并驱动所述功率变换单元（103）使所述二次电源稳定输出电压。
8. 根据权利要求1至6任一项所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述脉宽调制单元（102）发生单粒子效应时，第一开关（K1）断开、第二开关（K2）闭合，电容（Css）通过250μA恒流源进行放电，使缓启端的电压快速下降至重启电压，所述放电的公式为：

    

   

   其中，t0表示所述电容开始放电的时刻，Vc表示电容电压，t表示放电时间，Vss2表示缓启端电压。
9. 根据权利要求8所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述缓启端的电压快速下降至重启电压时，所述第一开关（K1）闭合，所述第二开关（K2）断开，所述电容（Css）通过15μA恒流源进行充电，使所述缓启端的电压快速上升至阈值电压，所述充电的公式为：

    

   

   其中，t2表示所述电容开始充电的时刻，t表示充电时间，Vss1表示缓启端电压。
10. 根据权利要求1所述的星载二次电源单粒子瞬态抑制电路，其特征在于，所述脉宽调制单元（102）为脉宽调制器UC1825AL。