航空和國(guó)防應(yīng)用的電源保護(hù)策略

LRU（現(xiàn)場(chǎng)可更換單元）是採(cǎi)用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體及電氣介面的模組化子系統(tǒng)。LRU廣泛用于軍用和民用航空領(lǐng)域，在這類應(yīng)用環(huán)境中，簡(jiǎn)單的單元替換可簡(jiǎn)化遠(yuǎn)端位置的維護(hù)工作。每個(gè)LRU都必須符合嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)要求，以確保在惡劣環(huán)境中的相容性和可靠性。

　　本文將討論LRU電源介面，重點(diǎn)討論在電壓尖峰、突波及紋波形式的電源異常情況下，如何保護(hù)下行DC/DC轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器。

　　尖峰、突波和紋波

　　尖峰和突波的定義在不同的標(biāo)準(zhǔn)中略有差異。各國(guó)都制訂了自己的軍用標(biāo)準(zhǔn)，而飛機(jī)製造商採(cǎi)用自行標(biāo)準(zhǔn)，RTCA（航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)）則制訂了國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，以在前兩者之間設(shè)立起銜接的橋梁。表1顯示了叁種主要的參考標(biāo)準(zhǔn)并匯總了其瞬態(tài)要求。

　　以上只是必須滿足的粗略要求，每種規(guī)格都包含有詳細(xì)的性能曲線示意圖和測(cè)試條件。MIL-STD-1275D標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)模式下的紋波規(guī)格給出的是最極端情況，正常工作模式規(guī)定為偏離穩(wěn)態(tài)條件±2V。其他的國(guó)家級(jí)規(guī)格還有很多，比如英國(guó)政府制訂針對(duì)軍用車輛的DEFSTAN 61-5（第六部份），該標(biāo)準(zhǔn)的要求與MIL-STD-1275D大致相似，不過其針對(duì)的是12V和24V系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須可以承受所規(guī)定的最極端狀況，但通常情況下的目標(biāo)是，開發(fā)出的電路在達(dá)到預(yù)先確定的安全停機(jī)點(diǎn)之前，能在規(guī)定的瞬態(tài)變化範(fàn)圍內(nèi)持續(xù)工作。在某些情況下，在有限的LRU機(jī)箱內(nèi)，因?yàn)橐s小組件的實(shí)體尺寸，不能完全滿足規(guī)格要求，這就需要在客戶和供應(yīng)商同意的情況下修訂規(guī)格。

　　這種差異導(dǎo)致很難開發(fā)一個(gè)滿足所有需求的單一解決方案，而且計(jì)畫不同標(biāo)準(zhǔn)要求也有很多變化，為了滿足工作環(huán)境要求需要對(duì)開發(fā)中的LRU做相應(yīng)調(diào)整。因此，設(shè)計(jì)師要視乎情況不同而採(cǎi)用不同的保護(hù)電路。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　電壓尖峰往往表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)十微秒的幾百伏電壓，源自雷擊或負(fù)載階躍的感性耦合。目前的對(duì)策是在LRU連接器組件中使用一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器，并結(jié)合一個(gè)π型濾波器與鐵氧體磁珠陣列，這種解決方案有效且節(jié)省空間。

　　而更具挑戰(zhàn)性的是防止電壓突波的傳播，其由負(fù)載突降引起，通常低于100V并持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒。當(dāng)一個(gè)負(fù)載電路斷接導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)兩端的電壓短時(shí)間內(nèi)迅速增大、因而採(cǎi)用相同電源的其他負(fù)載上的電壓也在短時(shí)間內(nèi)迅速增大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓突波傳播。解決方案之一是採(cǎi)用由一個(gè)串聯(lián)電感器和高值電解旁路電容器組成的被動(dòng)網(wǎng)路，配以一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器和熔絲。然而，此類解決方案往往很龐大，而且會(huì)出現(xiàn)某些較高電壓的傳輸，因此要求下行組件必須耐受比實(shí)際需求更高的輸入電壓。

　　業(yè)界設(shè)計(jì)人員通?；谑褂肕OSFET傳輸元件（pass element）的分離組件來開發(fā)主動(dòng)解決方案，但這通常需要花費(fèi)大量的測(cè)試時(shí)間用于最佳化感應(yīng)、控制迴路及傳輸電晶體電路。防止MOSFET傳輸元件過熱并使之處于安全工作區(qū)內(nèi)常常被認(rèn)為是設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。有時(shí)仍需要使用熔絲來保護(hù)MOSFET免遭短路故障。但更換熔絲對(duì)于民用航空而言會(huì)很麻煩，或者會(huì)導(dǎo)致重要的軍用設(shè)備在緊要關(guān)頭癱瘓。本文推薦的一種解決電壓突波問題的方案是，採(cǎi)用LT4356突波抑制器，該元件非常適用于完成抑制突波的任務(wù)，后面將詳細(xì)地介紹其工作塬理。

　　此外，LRU輸入電源上的電壓紋波可能帶來進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。尤其是，針對(duì)軍用車輛發(fā)電機(jī)模式的MIL-STD-1275D規(guī)格相當(dāng)嚴(yán)格（參見表1）。人們採(cǎi)用了各種不同的方法，包括允許保護(hù)電路將紋波傳遞至穩(wěn)壓級(jí)或者到電壓紋波幅度更加適中的地方，以及在保護(hù)電路內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行濾波處理等。在后一種方法中，必須對(duì)保護(hù)電路實(shí)施最佳化，以便有針對(duì)性地處理具有不同特性的大電壓瞬變與小幅度的緩變紋波。

　　表1：瞬態(tài)要求概要。

技術(shù)趨勢(shì)