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80V浪涌吸收器原理设计

2022-08-11 02:07:27

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  随着机载电子设备的日益增多和功能日趋完善。但由于电子设备间相互产生干扰,使得各电子设备的工作环境更加恶劣。为使各种电子设备能可靠工作,国家标准规定了各种电子设备应能承受的环境条件。对最基本的供电来说,国军标(GJB181—86)中要求机载电子设备能够承受一定的尖峰电压及浪涌电压。对于尖峰电压,因为尖峰电压值虽高,但时间短,能量小,可用电感滤除或用瞬态电压抑制二极管、压敏电阻来吸收。对于低压浪涌,可以采取贮存能量,或主控系统供电由低压变高压DC—DC补充的供电方法,使电子设备工作不问断,就可解决此问题。但对于过压浪涌,GJB181—86中要求使用+28V供电的电子设备能承受80V、50ms的过压浪涌,其电压高,时间长,因此实现困难。本文通过理论分析和实验,提出了采用电压钳位和开关式稳压电路等方法来解决此问题的思路。

  1 电压钳位

  正常供电采用直流28 V的电子设备,要对80 V、50 ms的浪涌电压实现钳位,必须要有能承受52 V压降的器件。若电子设备工作电流为3 A,则需消耗的功率为52×3=156 W。从理论上来分析,可用瞬态电压抑制二极管或压敏电阻来钳位,但此时有大电流流过设备的保险丝,会烧断保险丝。若采用自复保险丝(PTC)来替换金属保险丝,自复保险丝能承受52 V压降,理论上可以实现80 V浪涌电压的钳位。但现有PTC材料的环境温度变化很大,如图1所示。从图1中可以看出,这种保险丝在军用环境温度条件下起不到保险的作用。因此,此方案可以满足一般民用要求,但目前还不满足军用环境温度条件要求。

  

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  2 开关式稳压电路

  采用开关式稳压电路实现80 V浪涌吸收器。需选用导通电阻小,能承受大电流的开关器件,使正常工作时压差很小,消耗能量较少;关断时,能承受高电压。IR公司的MOSFET系列具备这个功能,例如IRF250,其基本应用参数为Vdss=200 V,通态电阻Rds(on)=0.075Ω,允许通过电流ID=30 A。

  采用此类器件实现80 V浪涌吸收器的电路框图如图2所示。

  

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  图中,开关器件选用MOSFET,其导通电压VGS最小2 V,最大4 V,极限值VGS≤±20 V,因为正常输出电压比输入电压降低≤0.4 V,所以开关器件MOSFET的栅极电压应>30 V,将高出电源电压。为了生成此电压,设计有振荡电路和倍压电路,振荡电路的供电由稳压电路完成。稳压电路采用1 kΩ电阻串联稳压二极管实现,稳压值为12 V。在+28 V电源供电时,稳压管上电流为

  

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  根据GJB181—86实验要求,每次浪涌电压为80 V、50 ms,每分钟1次,共5次,电阻平均功率为:

  

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  为减小体积,选用RJ14/0.5 W的电阻即可。振荡电路频率为100 kHz,振幅12 V,经简单的二极管电容倍压整流电路后,电压升到32 V。选保护器件稳压二极管的稳压值为20 V,既保护了开关器件MOSFET,也起到了控制开关式稳压电路的作用。

  80 V浪涌吸收器工作原理是:在正常28 V输入时,振荡电路输出频率为100kHz的方波,倍压整流电路输出倍压值32V给MOSFET的栅极,VGS>2V,MOSFET导通,输出28 V,VGS=32-28=4V,保护器件不工作。若输入浪涌电压时,假设80V、50 ms浪涌电压刚开始通过了开关器件MOSFET,开关器件MOSFET输出将上升。当>32 V时,保护电路中二极管正向导通,VGS=-0.7 V,此时开关器件MOSFET关闭。然后,保护器件稳压二极管正端电压消失,二极管截止,VGS>2 V,MOSFET又导通,输出将上升,使保护器件稳压二极管导通,……。如此循环控制,使输出电压始终不高于32 V,GJB181—86中要求正常供电采用直流+28 V的电子设备应能够在24~32 V间正常工作。到此,80 V浪涌吸收器输出端输出了一个幅度≤32 V的脉动直流。在该装置输出端对地加一个1μF滤波电容,对此脉动直流电进行滤波,就得到了一个平稳的直流电。

  3 实验

  采用这种方案制成80 V浪涌吸收器,进行实验。在输出功率为80 W的条件下,正常28 V输入时,MOSFET器件上的压降为0.2 V,在从-55+85℃环境温度下压降≤0.4 V,连续工作12 h,MOSFET器件温升不超过5℃,可以不用专门加装散热片。在施加80 V、50 ms的浪涌电压时,输入浪涌电压跌落<0.5 V,80 V浪涌吸收器输出电压≤32 V,实验结果达到设计要求。制成品的体积为30 mm×40 mm×12 mm。

  4 结束语

  采用开关式稳压电路制成的80 V浪涌吸收器,经过各种实验,达到了GJB181—86的要求,该装置电路简单、可靠,所选用的元器件都是通用器件,没有特殊要求,易于采购。电路装配正确,无需调试就可正常工作。其输出电流能力可以满足大多数机载电子设备的用电要求,适用于各种采用直流28 V供电的设备。合理改变元器件的参数,也可以扩展应用于别的供电电压来抑制浪涌。