劉國美 禹勇 嚴(yán)會(huì)會(huì) 馮非 王亮 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所
負(fù)載開關(guān)屬于通用功率開關(guān)器件中的一種,關(guān)于負(fù)載開關(guān)的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)和電流抑制設(shè)計(jì)等已有相關(guān)研究,本設(shè)計(jì)在機(jī)載電子設(shè)備中使用了負(fù)載開關(guān),并設(shè)計(jì)了電流抑制電路對(duì)沖擊電流進(jìn)行抑制。
在機(jī)載設(shè)備電源中會(huì)使用到DC/DC變換器,負(fù)載開關(guān)則用于DC/DC變換器的控制。由于電容的等效串聯(lián)電阻(ESR) 很小,使負(fù)載開關(guān)在控制閉合的瞬間產(chǎn)生大電流,這個(gè)大電流就是沖擊電流,沖擊電流形成過程如圖1。Co為DC/DC變換器前面的濾波等效電容,電源電壓V_in在MOS管導(dǎo)通瞬間向等效電容Co充電,此時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)很大的沖擊電流。
圖1 沖擊電流形成示意
MOS管的具有極小的導(dǎo)通電阻,因此在電路中MOS管引起的壓降很小,可以忽略。我們可以通過調(diào)整MOS管米勒平臺(tái)的時(shí)間,來達(dá)到調(diào)整沖擊電流大小的目的?;谠摶A(chǔ),本文提出一種沖擊電流抑制電路,如圖2所示。
28V輸入電壓由電阻R1和R2分壓后驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通后,方可形成供電回路,給DC/DC模塊供電。通過調(diào)整電阻R1、R2和電容C2和C3可以調(diào)整MOS 管的導(dǎo)通時(shí)間,達(dá)到調(diào)整導(dǎo)通瞬間沖擊電流的大小的目的。當(dāng)輸入電壓過大時(shí),穩(wěn)壓管V1可保護(hù)MOS管柵源極,以免MOS管被擊穿。電容C4為沖擊抑制電路后端濾波電容以及DC/DC模塊內(nèi)部電容的等效總和。C4的容值比電容C2和C3的容值大很多,所以在上電的瞬間輸入電壓絕大部分都加在了C2和C3上。R3為泄放電阻,MOS管導(dǎo)通后,電容C2上的電荷通過R3進(jìn)行泄放,以此保證MOS管在下一次導(dǎo)通時(shí)C2兩端電壓比MOS管的開啟電壓小。
圖2 沖擊電流抑制電路
關(guān)鍵參數(shù)選取原則及具體參數(shù)選擇如下:Ciss為MOS 管輸入電容,此參數(shù)可在器件資料中查詢到。具體參數(shù)選擇規(guī)則如下:
為保證電容C3起主要作用,選擇:C3遠(yuǎn)大于Ciss;
R5為阻尼電阻,R5遠(yuǎn)小于R1。
按照公式Vmax(C3/(C3+C2)<3V) 選擇合適的C2和C3,可以使開機(jī)瞬間MOS的柵源電壓小于其柵極開啟電壓,Vmax為輸入電壓最大值,
穩(wěn)壓管V1可保護(hù)MOS管柵源極,以免MOS管被擊穿。
選擇MOS管:電源額定輸入電壓為28 V,根據(jù)軍標(biāo)對(duì)過壓浪涌的要求Vds≥50V。為了使MOS管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的損耗小,需要選擇漏源導(dǎo)通電阻Rds(on)較小的MOS管。
機(jī)載電子設(shè)備正常工作電流為0.5A,試驗(yàn)中通過調(diào)整R1和R2的阻值以及電容C2和C3的容值,可以改變沖擊電流沖擊電流開始的時(shí)間、大小以及恢復(fù)到正常工作電流值的時(shí)間。最終選擇MOS管V3為IRF1310N,其導(dǎo)通電阻只有36 mΩ,導(dǎo)通時(shí)損耗比較小。R2=120kΩ,R1=300kΩ,R3=1kΩ,R4=10Ω,R5=205Ω,C3=10nF,實(shí)際中C2為1μF 和0.1μF 電容并聯(lián),R5為兩個(gè)510Ω電阻并聯(lián)。由于電子設(shè)備的正常工作電壓范圍為18~32V,R2電阻上的分壓最大為 9.6V,50V過壓浪涌時(shí)R2電阻上的分壓為14.3V,IRF1310N柵源最大電壓為20V,故實(shí)際中省略了穩(wěn)壓管V1。
圖3為未加沖擊電流抑制電路時(shí)電子設(shè)備的沖擊電流,從圖中可以看出沖擊電流大小為7.6A,為正常工作電流的15.2倍。圖4為沖擊電流被抑制后的電流,從圖中可以看出沖擊電流被抑制到了2A,為正常工作電流的4倍,恢復(fù)到正常工作電流的時(shí)間為120ms,滿足了沖擊電流大小為正常工作電流5倍內(nèi)以及200ms內(nèi)恢復(fù)到正常工作電流的要求。
圖3 未加沖擊電流抑制電路的沖擊電流
圖4加沖擊電流抑制電路后的沖擊電流
MOS管的導(dǎo)通阻抗低、驅(qū)動(dòng)簡單,它與其他器件簡單組合就可以構(gòu)成沖擊電流抑制電路,因此可以根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境以及使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。本案例中基于MOS 管的沖擊電流電路可應(yīng)用到小功率負(fù)載,通過調(diào)整MOS管以及其他器件的選型后也可以應(yīng)用到大功率負(fù)載電路中。