1 前言
隨著機(jī)載技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足機(jī)載設(shè)備對(duì)電源模塊的要求，提高可靠性，節(jié)約飛機(jī)上的能源和空間，縮短研制周期，機(jī)載電源模塊逐步向小型化、高效化和模塊化方向發(fā)展，模塊電源" title="模塊電源">模塊電源越來(lái)越多地用在了機(jī)載電子產(chǎn)品上。雖然模塊電源具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在模塊電源的研制過(guò)程中，由于重點(diǎn)放在了提高電源效率，減小體積上，尤其對(duì)輸出功率較小的模塊電源，其內(nèi)部空間有限，有許多電源內(nèi)部不具備輸出電路的過(guò)欠壓保護(hù)功能。同時(shí)在機(jī)載產(chǎn)品中，為了滿足國(guó)軍標(biāo)GJB181-86對(duì)用電設(shè)備的要求，在地面電瓶車和機(jī)上電源轉(zhuǎn)換期間以及匯流條切換過(guò)程瞬間，如何使機(jī)上設(shè)備正常工作，即怎樣提高模塊電源輸出電壓的保持時(shí)間，也是模塊電源作為機(jī)載電源應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。本文針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。
2 過(guò)壓與欠壓保護(hù)電路
過(guò)、欠壓保護(hù)電路的作用是，當(dāng)輸出電壓超過(guò)或低于設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出限定在某一安全值的范圍內(nèi)，或使輸出電壓關(guān)閉，從而達(dá)到保護(hù)電源模塊和用電設(shè)備的雙重功效。
在以往用分立元器件" title="元器件">元器件組成的電源模塊中，通常采用齊納二極管和晶閘管組成的過(guò)壓保護(hù)（OVP）電路（見(jiàn)圖1），或集成化的OVP電路。前者的工作原理是，當(dāng)過(guò)壓現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，齊納二極管D發(fā)生雪崩擊穿使V導(dǎo)通，把電源輸出端短路，從而將過(guò)壓保護(hù)轉(zhuǎn)換為過(guò)流保護(hù)，這種保護(hù)一旦發(fā)生，只有把電源的輸入電壓斷開幾秒鐘后，才能使電路恢復(fù)正常。而集成OVP保護(hù)電路是利用專門的集成電路（如MC3423），將過(guò)壓采樣信號(hào)加到感應(yīng)電壓端，當(dāng)輸出電壓大于某一額定電壓時(shí)，集成OVP電路輸出高電平，該電平加至脈寬調(diào)制器的控制端，使保護(hù)電路開始工作。如果過(guò)壓條件撤出，它可以使電路恢復(fù)正常。
圖1 齊納二極管和晶閘管組成的OVP電路
使用模塊電源時(shí)，由于沒(méi)有獨(dú)立的脈寬調(diào)制器，因此采用上述兩種方法進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)是行不通的。為此，選用UC公司生產(chǎn)的UC3903芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的過(guò)、欠壓保護(hù)。
2.1 UC3903芯片的性能及特點(diǎn)
UC3903系列集成電路可以同時(shí)響應(yīng)4路電壓的過(guò)、欠壓信號(hào)，內(nèi)部的運(yùn)算放大反向器允許至少1路信號(hào)為負(fù)電壓。其內(nèi)部包含過(guò)、欠壓比較器，通用運(yùn)算放大器，電源過(guò)壓感應(yīng)電路，過(guò)、欠壓延時(shí)電路，啟動(dòng)鎖存電路和3路OC（集電極開路）門輸出電路等。
該集成電路內(nèi)部的故障窗口調(diào)節(jié)電路可以很容易地實(shí)現(xiàn)過(guò)、欠壓門限電壓的編程控制，門限電壓以2.5V為基準(zhǔn)變化，具有與窗口寬度相關(guān)的輸入滯后。一旦出現(xiàn)故障，UC3903的三個(gè)OC門輸出可以吸收超過(guò)30mA的負(fù)載電流，這三個(gè)OC門輸出分別對(duì)應(yīng)過(guò)壓（OV）、欠壓（UV）和電源工作正常（Power OK）三種情況。除此之外，UC3903內(nèi)部還包含一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，該運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)其它輔助功能，例如用2.5V輸出作為基準(zhǔn)電壓、感應(yīng)和放大反饋誤差信號(hào)。為了防止啟動(dòng)瞬間過(guò)壓指示的誤動(dòng)作，UC3903內(nèi)部還具有啟動(dòng)鎖存功能。
UC3903的工作電壓為8～40V，工作電流7mA。器件封裝形式有PLCC20、LCC20表面貼裝封裝形式及雙列直插DIP18塑封、陶瓷和表面貼裝封裝形式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 UC3903框圖
2.2 管腳定義
VREF 精密的2.5V電壓基準(zhǔn)，可作為外部電路的基準(zhǔn)電壓。
WINDOW ADJUST 窗口調(diào)節(jié)。
SENSE 4 INVERT INPUT 過(guò)、欠壓信號(hào)輸入端4反向電壓輸入端。
SENSE 1－4 過(guò)、欠壓信號(hào)輸入端。
OV RELAY過(guò)壓延時(shí)。
OV FAULT 過(guò)壓故障，信號(hào)電平為低電平有效。
UV FAULT 欠壓故障，信號(hào)電平為低電平有效。
POWER OK 電源工作正常指示。
LINE/SWITCHER SENSE 電網(wǎng)/開關(guān)感應(yīng)端。
OUTPUT 通用運(yùn)算放大器輸出端。
N.I 通用運(yùn)算放大器同向端。
INV. 通用運(yùn)算放大器反向端。
2.3 典型應(yīng)用
UC3903用于3路輸出模塊電源過(guò)、欠壓保護(hù)電路的典型應(yīng)用如圖3所示。其主要原理是，多路監(jiān)視器UC3903接收到各路輸出電壓信號(hào)后，分別與過(guò)、欠壓門限電壓比較，經(jīng)過(guò)、欠壓比較器檢測(cè)，輸出正常時(shí)OC門輸出腳11（OV FAULT）、腳12（UV FAULT）、腳14（POWEROK）經(jīng)過(guò)電阻R15上拉為TTL高電平。如果某一路或幾路輸出電壓有故障（過(guò)壓或欠壓），該監(jiān)控器的腳11，腳12或腳14即輸出一個(gè)TTL低電平，此電平作為故障告警信號(hào)，加至模塊電源的控制端，關(guān)閉電源模塊的輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)、欠壓保護(hù)。
圖3 三路輸出模塊電源過(guò)、欠壓保護(hù)電路圖
3 輸出電壓保持時(shí)間
3.1 保持時(shí)間的定義
開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源中由于濾波電容的存在，在輸入電壓降低或關(guān)閉的過(guò)程中，使得輸入電網(wǎng)電壓從最低值到輸出電壓下降到系統(tǒng)無(wú)法正常工作的臨界值時(shí)，輸出電壓能夠維持一段時(shí)間，這段時(shí)間稱之為輸出電壓保持時(shí)間。
對(duì)于機(jī)載設(shè)備，按照國(guó)軍標(biāo)GJB181-86對(duì)用電設(shè)備的要求，輸出保持時(shí)間有兩個(gè)含義。一是指當(dāng)輸入電壓欠壓時(shí)，即直流輸入電壓降到8V，交流輸入電壓降到70V時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能滿足50ms的保持時(shí)間要求，也就是系統(tǒng)要能正常工作50ms。另一種是指當(dāng)輸入電壓徹底斷開時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓能夠保持多長(zhǎng)時(shí)間，使得系統(tǒng)仍能夠工作。
3.2 保持時(shí)間的計(jì)算方法
3.2.1 交流輸入的保持時(shí)間計(jì)算
交流輸入整流電路和整流波形分別見(jiàn)圖4，圖5。
圖4 交流輸入整流電路
圖5 交流輸入的整流波形
從圖5中可以看出，從t0時(shí)刻開始，整流橋輸出電壓大于儲(chǔ)能電容器C上的電壓，整流橋?qū)ǎ斎腚娋W(wǎng)對(duì)C充電，同時(shí)向負(fù)載提供能量。在t1時(shí)刻，整流橋輸出電壓達(dá)到最大值，限流電阻R上的電壓也達(dá)到最大值URm。然后整流橋電壓開始下跌，C也開始放電，并和電網(wǎng)一起通過(guò)開關(guān)向負(fù)載提供能量直至t2時(shí)刻。而此時(shí)刻整流橋上的電壓與電容上的電壓相等，電阻R上的電壓為零。在以后的t2～t3時(shí)間內(nèi)，電容器處于放電狀態(tài)，C放電直至t3時(shí)刻結(jié)束。
從以上的描述中，可以把在放電后t2至t3這一段時(shí)間稱為輸出電壓維持時(shí)間tk，用公式表示為
tk=t3－t2 （1）
當(dāng)t0到t1、t2的時(shí)間遠(yuǎn)小于tk時(shí),則可近似認(rèn)為電容C在tk時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供能量,也即是開關(guān)電源的輸入功率Pi.如果用U2、U3表示t2、t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸入電壓,則維持時(shí)間可用公式表示為
tk= 
（2）
3.2.2 直流供電的開關(guān)電源保持時(shí)間
在直流供電條件下,開關(guān)電源輸出保持時(shí)間tk的計(jì)算公式是
tk= 
（3）
式中：U2——輸入電壓最低時(shí)的電壓值；
U3——輸出電壓下降到臨界值時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。
3.3 延長(zhǎng)輸出保持時(shí)間的方法
由上述分析結(jié)果可以看出，輸出保持時(shí)間的長(zhǎng)短主要與輸入電容Ci，電源輸入功率Pi，t2、t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值U2、U3有關(guān)外，還與輸出電容和輸出負(fù)載也有一定的關(guān)系。雖然增加輸出電容量亦可增加保持時(shí)間，然而增加輸出電容量就意味著增加電源的體積和重量，而放電時(shí)間相對(duì)于充電時(shí)間較快，且與負(fù)載有關(guān),因此相對(duì)于輸入電容，輸出電容對(duì)保持時(shí)間的影響幾乎可以忽略不計(jì)。在體積重量允許的情況下,采取多個(gè)電容并聯(lián)的方式來(lái)增大Ci容量，可延長(zhǎng)輸出保持時(shí)間。然而，隨著輸入電容的增大，電源啟動(dòng)瞬間的浪涌電流也會(huì)增大，使得功率管的峰值電流應(yīng)力增加，從而增加了功率管的成本，降低了電路開啟工作的可靠性。權(quán)衡考慮，除增加儲(chǔ)能電容的容量外，適當(dāng)設(shè)計(jì)輔助電路，使其在電網(wǎng)正常時(shí)不工作，僅僅在欠壓瞬間工作，這樣就可以減小啟動(dòng)瞬間的浪涌電流，提高正常工作時(shí)的電源效率，并且能夠延長(zhǎng)輸出電壓的保持時(shí)間。
對(duì)于直流供電的模塊電源一般采用輔助升壓電路，當(dāng)供電電源低于某一設(shè)定值時(shí)，升壓電路開始工作，將輸入電壓升高，使得在低輸入電壓情況下電源也能正常工作，從而拉寬了電網(wǎng)的工作范圍，使電源在低電壓和斷電兩種情況下的保持時(shí)間均得到了延長(zhǎng)。
對(duì)于交流供電的模塊電源，一般的模塊電源均能滿足寬輸入電壓的要求，因此延長(zhǎng)保持時(shí)間主要指的是延長(zhǎng)輸入電壓斷電時(shí)的保持時(shí)間，采用圖6所示的輔助電路可以將電源的保持時(shí)間延長(zhǎng)將近1倍。其工作原理是，當(dāng)輸入電壓正常時(shí)，電容C2上的電壓為整流后的電壓，且該電壓經(jīng)過(guò)二極管D和電阻R向電容C1充電，一旦電容C2上的電壓低于C1上的電壓，二極管D截止，電容C1上存儲(chǔ)一定的電壓，功率管Q1不導(dǎo)通時(shí)，只有電容C2上的電壓加至模塊電源上。當(dāng)輸入電壓下降后，其它檢測(cè)單路輸出的控制信號(hào)加至Q2上，使Q1導(dǎo)通，而此時(shí)電容C2上的電壓低于C1上的電壓，這樣C1上的電壓向模塊供電，相當(dāng)于模塊電源的輸入電壓升高，其結(jié)果必然使輸出保持時(shí)間延長(zhǎng)，而這部分電路在電網(wǎng)正常時(shí)并不工作，因此不會(huì)帶來(lái)啟動(dòng)瞬間電流增大的問(wèn)題。
圖6 延長(zhǎng)保持時(shí)間電路圖
4 結(jié)語(yǔ)
由于使用了過(guò)、欠壓保護(hù)電路，不僅使電源本身的保護(hù)能力得到加強(qiáng)，也使得電源的智能化水平有所提高。將電源正常指示信號(hào)和過(guò)、欠壓信號(hào)通過(guò)接口電路加到計(jì)算機(jī)上，可以方便地檢測(cè)電源的工作，提高電源的可測(cè)試性，進(jìn)而提高了電源的可維護(hù)性。
使用輔助電路延長(zhǎng)輸出電壓的保持時(shí)間，不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且也較好地解決了增大輸入電容與延長(zhǎng)保持時(shí)間之間的矛盾，降低了起動(dòng)瞬間的浪涌電流。
正是由于使用了上述電路，增大和完善了模塊電源的功能，加上模塊電源本身所具有的體積小、重量輕、集成度高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，模塊電源勢(shì)必會(huì)在機(jī)載領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。