28V直流輸入過壓浪涌電路抑制方法研究

1.引言　　

28V直流電源是最早使用在飛機上的一種電源。其額定電壓為28V，穩態變化范圍18～36V。在航空28V直流電源中要求用電負載能夠承受80V/50ms 的過壓浪涌和8V/50ms的欠壓浪涌。電壓浪涌多發生于大發電機開關、發動引擎、瞬變負載等情況下，如突卸或突加負載會引起發電機匯流條電壓短時升高或下降，從而產生過壓浪涌或欠壓浪涌。這些浪涌電壓通常出現在配電總線處，本文所指浪涌均為過壓浪涌。浪涌電壓大大地超過穩態電源電壓，當它襲擊到用電設備上時，往往造成誤操作和設備的損壞，可能使整個系統停頓、通信中止。　　

鑒于上述提到的浪涌的危害性，為了保護這些用電設備，防止受浪涌電壓沖擊而損壞，必須在直流電源電子設備的設計中，考慮浪涌的影響，增加防護措施，設計有效的抗浪涌電路，對電子設備的電源電路進行防浪涌處理。由于80V/50ms 過壓浪涌的伏秒積很大，所以不能簡單地用傳統的儲能方式來抑制，否則電感和電容元件將會太大。　　

2.原理與設計　　

本文總結了部分尖峰浪涌抑制的方法，具體介紹如下：　　

2.1 無源浪涌抑制器

浪涌抑制器最基本的使用方法是直接將電壓箝位器件與被保護的用電設備并聯，以便對超過被保護設備預定電壓值的情況進行能量轉移。其中，電壓箝位器件主要有壓敏電阻和瞬態電壓抑制器等。在正常情況下，電源電壓的波動范圍低于箝位器件的動作電壓，入情況下，Zs 上也存在壓降，增加了損耗。

箝位器件無反應，相當于開路;當電源出現浪涌時，一旦浪涌電壓高于箝位器件的動作電壓，箝位器件快速導通，將電源電壓限制在安全范圍內，從而起到保護用電設備的作用。　　

2.1.1 氧化鋅(ZnO)壓敏電阻　　

ZnO壓敏電阻器是一種以ZnO 為主體、添加多種金屬氧化物、經典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導體陶瓷元件。壓敏電阻的伏安特性如圖1 所示，它與兩只特性一致的背靠背連接的穩壓管性能基本相同。壓敏電阻在電路中通常并聯在被保護電器的輸入端，如圖2 所示。圖中，Zs 的作用是限制過壓時的電流，壓敏電阻的Zv 與電路總阻抗構成分壓器，因此壓敏電阻的限制電壓為

當壓敏電阻兩端所加電壓在標稱電壓內時，其阻值幾乎為無窮大，處于高阻狀態，漏電流遠小于50μA;當它兩端電壓超過額定電壓時，其阻值急劇下降，壓敏電阻導通，工作電流增加幾個數量級，反應時間為毫秒級。由此可見，Zv 在瞬間流過很大的電流，Zs 上將承受浪涌電壓中大部分電壓，而使得用電器的兩端電壓比較穩定，因此能起到保護作用[2]，但在正常輸入情況下，Zs 上也存在壓降，增加了損耗。

2.1.2 瞬態電壓抑制器　　

另一種浪涌抑制元件是瞬態電壓抑制器(TVS)。當TVS 兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10-12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，迅速吸收高達數千瓦數量級的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路元器件免受各種形式的浪涌脈沖的損害[2]。瞬態電壓抑制器具有體積小，安裝尤其方便，響應時間快、瞬態功率大、漏電流低，擊穿電壓偏壓小，箝位電壓易控制等特點。TVS 二極管有下列不同功率可選擇：(ProTek 公司)

TVS二極管允許的正向浪涌電流在250°C 時，可達50～200A，但抑制時間最長僅能達到10ms，所以TVS 對于80V/50ms 的連續浪涌電壓，不能起到良好的抑制效果。另外，由于電壓箝位器件是對浪涌電壓的能量進行吸收，經常承受大功率浪涌沖擊，會加快器件老化，工作一定時間后，性能和可靠性下降，保護能力減弱，導致自身和用電設備都可能受浪涌沖擊而損壞。　　

2.2 有源浪涌抑制電路　　

為了避免浪涌抑制器件長時間受到大功率的浪涌沖擊而損壞，所以不考慮并聯吸能的方式，而是采用一個功率開關器件來控制電源輸入，如圖3 所示。在此原理基礎上，提出了三種有源浪涌抑制電路。　　

2.2.1 Buck 型浪涌抑制電路　　

Buck 型浪涌抑制電路由Buck 主電路和控制電路組成。如圖3 所示，其中R1、R2 采樣輸入電壓得到電壓Vf，R3、R4 采樣輸出電壓得到電壓Vr。具體控制原理如下：采樣電壓Vf 與基準電壓V10，經由比較器cmp1 進行比較，輸出信號INH;采樣電壓Vr與三角波經過比較器cmp2，輸出信號Vv;信號INH與Vv 通過或門運算，輸出信號Dr，用于控制主電路中功率管，達到抑制浪涌電壓的目的。圖4 和圖5 為仿真波形，由仿真分析可見，當輸入電壓為28V 時，輸出電壓為27.9V;當輸入電壓超出36V 后，隨著輸入電壓增大，占空比減小，抑制輸出電壓的增大，當輸入電壓為80V 浪涌電壓時，輸出電壓可抑制在40V。

該電路優點：Q1 工作在開關狀態，損耗小;缺點是增加了兩個主電路器件，體積尺寸增大。正常電壓下主負載電流流過兩個新增器件(Q1，L1)，影響正常狀態下系統效率。不過可以通過提高開關頻率來減小電感尺寸。　　

2.2.2 雙晶體管控制型浪涌抑制電路　　

雙晶體管控制型浪涌抑制電路如圖6 所示，功率器件Q1 采用P 溝道MOS 管，穩壓二極管D1 的作用是保護Q1 柵源電壓在安全范圍之內，防止擊穿。

雙晶體管控制型浪涌抑制電路類似于一個降壓型開關穩壓電路，輸出電壓的變化實時反饋到前端，控制功率管Q1 處于線性狀態或開通狀態，以保證輸出電壓穩定在一定范圍之內，消除了浪涌電壓的沖擊。當輸入電壓正常時，R5、R6 分壓值小于Q3 基極導通電壓，Q3 截止;Q2 基極電壓等于射極電壓，Q2 截止;R1、R2 分壓使Q1 柵源極電壓大于導通電壓，此時Q1 導通，電源通過Q1 對用電設備正常供電。當電源出現浪涌時，浪涌電壓對C1 進行充電，當C1 電壓高于浪涌保護電壓值時，R5、R6 分壓值大于Q3基極導通電壓，Q3 處于線性放大區，Q2 導通，Q1 截止，斷開電源，此時依靠C1 維持用電設備供電。當C1 端電壓下降到正常范圍內時，R5、R6 分壓值小于Q3 基極導通電壓，Q3 截止，Q2 也截止，Q1 導通，恢復電源供電。　　

圖7 和圖8 為仿真波形，由仿真分析可見，當輸入電壓為28V 時，輸出電壓為27.9V;當輸入電壓超出36V 后，隨著輸入電壓增大，功率管上承受的壓降增加，抑制輸出電壓的增大，當輸入電壓為80V 浪涌電壓時，輸出電壓可抑制在40V。　　

優缺點分析：該電路結構簡單，但是P 溝道MOS管導通電阻較大，影響正常狀態下的效率。

2.2.3 電荷泵驅動型浪涌抑制電路

如圖9 所示的電荷泵驅動型浪涌抑制電路，是在Vicor 公司的產品V24A28C400AL 采用的濾波器