(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

1 引 言

航天器在地面測試過程中不可避免地要經(jīng)歷反復(fù)加電和斷電的操作，在此過程中偶然會(huì)發(fā)生航天器載單機(jī)保險(xiǎn)絲熔斷故障。有的還會(huì)將單機(jī)內(nèi)部DC-DC變換器輸入端防浪涌電流的串聯(lián)電阻燒黑，更有甚者單機(jī)在加電和斷電過程中伴有嘯叫聲。通常，保險(xiǎn)絲是嚴(yán)格按照建造規(guī)范選用的：當(dāng)非正常工作電流高達(dá)1倍以上并持續(xù)一段時(shí)間條件下，熔斷器才會(huì)動(dòng)作。而出現(xiàn)燒毀保險(xiǎn)絲、燒黑電阻、伴有嘯叫的單機(jī)，在離開系統(tǒng)測試環(huán)境，返回重做單機(jī)測試時(shí)并未留存其它故障跡象，更換保險(xiǎn)絲后單機(jī)即可恢復(fù)工作正常。

為了查找“故障”原因，需要從由各種類型單機(jī)通過各類電纜連接組成的分系統(tǒng)和各分系統(tǒng)間信息交織組成的大系統(tǒng)中去尋找某一次開、關(guān)機(jī)瞬間一根導(dǎo)線上的電流超出允許范圍的機(jī)理，這顯然是困難的。

本文主要針對地面系統(tǒng)測試中單機(jī)保險(xiǎn)絲熔斷、燒黑電阻、伴有嘯叫的現(xiàn)象，分析了在特定的環(huán)境下由于各部分相互作用引發(fā)間隙工作的機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證間隙工作是出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象的主要原因，最后提出一些解決問題的建議。

2 地面系統(tǒng)測試環(huán)境

通常在地面需要對組成航天器的各分系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試，并模擬飛行中的各種工作狀態(tài)，檢查各分系統(tǒng)間的匹配性、協(xié)調(diào)性。航天器的測試接口中，在地面供電階段采用有線電纜網(wǎng)連接地面設(shè)備(含電源)，形成一束用于控制、測量、指示、供電的電纜線。通過具有有線電控脫落功能的插頭和航天器連接，組成測試系統(tǒng)[1]。在此我們將地面電源、供電線纜、各用電設(shè)備輸入端DC-DC變換器及其輸入端旁路電容合稱為航天器地面測試系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。航天器地面測試系統(tǒng)連接關(guān)系見圖1。

圖1 航天器地面測試系統(tǒng)連接關(guān)系圖

為了模擬現(xiàn)場布局，將地面電源、配電器靠近航天器(兩者之間約有百米)，由遠(yuǎn)置的控制臺(tái)(約幾百米)對地面電源和航天器實(shí)施遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)測。所以在地面系統(tǒng)測試中，地面電源距用電設(shè)備之間長達(dá)百米，兩者間不可避免地存在線纜等效電阻，而地面電源大容量輸出電容和各用電設(shè)備輸入端的旁路電容則組成了供電系統(tǒng)的等效電容。

以衛(wèi)星系統(tǒng)為例，實(shí)測衛(wèi)星在切斷地面供電后，母線電壓在維持了16 ms后才開始緩慢下降。大約持續(xù)至160 ms左右，母線電壓才降至10 V左右。據(jù)此可以大致推算出整星斷電后能量完全釋放大約需要250 ms左右。經(jīng)分析，在衛(wèi)星斷電后，母線電壓變化的快慢主要取決于衛(wèi)星上各單機(jī)和電纜上存在寄生分布參數(shù)的大小。正是因?yàn)閱螜C(jī)對外呈容性、電纜線呈感性的特點(diǎn)，才使得母線電壓在整星斷電后下降緩慢。

3 電源特性

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，DC-DC變換器在近20年來以其特有的核心控制芯片數(shù)字化、功率器件集成化在航天器載設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。為保證DC-DC變換器啟動(dòng)后能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，也為了保證變換器工作時(shí)供電電壓的波動(dòng)不會(huì)對整個(gè)電路造成損害，通常使用欠壓鎖存(Under Voltage Lock Out，UVLO)電路[2]。欠壓鎖存電路通過對供電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)過壓、欠壓均采取鎖定保護(hù)措施，以有效防止供電系統(tǒng)崩潰，這已成為現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)的必然選擇。

UVLO工作過程是：首先由供電電源Vin建立基準(zhǔn)電壓源，給比較器提供穩(wěn)定的參考電壓，并與供電電源Vin進(jìn)行比較，一旦檢測到供電電壓Vin的不足(欠壓)，立刻禁止其它電路工作并保持切斷狀態(tài)(鎖存)，等供電電壓Vin上升到某一個(gè)值時(shí)，重新啟動(dòng)變換器工作。其中的比較電路引入了遲滯環(huán)，使得供電電壓Vin從低電壓到高電壓穿越翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和從高電壓到低電壓穿越反轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)電壓值有一定的遲滯回差[3]。DC-DC變換器UVLO標(biāo)準(zhǔn)遲滯曲線見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)遲滯曲線

DC-DC變換器UVLO的開啟電壓Von、關(guān)斷電壓Voff的設(shè)置，由DC-DC變換器從確保自身配電出發(fā)，在內(nèi)部(也可以在外部)設(shè)置滿足自身要求的回差大小，它設(shè)定的出發(fā)點(diǎn)和保護(hù)對象都是其自身。

4 間隙工作形成原理

由于供電系統(tǒng)存在的等效電阻和電容，地面電源在開啟時(shí)輸出電壓呈現(xiàn)逐步上升過程，關(guān)斷時(shí)同樣存在電壓下降過程。

以斷電過程為例，單機(jī)內(nèi)部DC/DC輸出端的工作模式為恒流(Constant Current，CC)模式[4]，功率Pout維持不變。在地面供電電源斷電時(shí)，由于供電系統(tǒng)中等效電容上儲(chǔ)存有較大能量，其作用可以等效一個(gè)電壓逐漸下降的供電電源，它與供電系統(tǒng)的等效電阻結(jié)合，同樣會(huì)使供電系統(tǒng)進(jìn)入間隙工作狀態(tài)。電路等效電容的大小表征了儲(chǔ)存能量的大小，能量的大小又是地面供電電源斷電時(shí)間隙工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長短的依據(jù)。

隨著地面供電系統(tǒng)的斷電后，在地面供電母線電壓還未降至UVLO以下，這就意味著PWM控制器仍在工作，DC/DC模塊依然處于工作狀態(tài)。整機(jī)斷電后的等效電路如圖3所示。

圖3 斷電后的等效電路

具體過程如下：

當(dāng)DC/DC模塊再次工作，Cpara提供的輸入功率依舊不足，輸入電壓Vin又下降。如此反反復(fù)復(fù)，形成振蕩。這樣的振蕩一致持續(xù)到母線電壓即寄生電容電壓低于UVLO電壓，無法再繼續(xù)工作。

反之，當(dāng)供電電壓Vin上升到DC-DC變換器所設(shè)計(jì)的開啟電壓Von時(shí)開始工作。開啟瞬間，如果線路電壓降Vr(Vr=Ir×Rr)大于DC-DC變換器所設(shè)計(jì)的遲滯回差(VON-VOFF)[5]，電路就關(guān)斷。電路一旦關(guān)斷，線路電壓降Vr就等于零，此時(shí)供電電壓Vin≥開啟電壓Von，電路又重新啟動(dòng)。如此造成電路啟動(dòng)就關(guān)斷、關(guān)斷了又啟動(dòng)，單機(jī)內(nèi)的DC-DC變換器在啟動(dòng)和關(guān)斷之間反復(fù)動(dòng)作，在供電電源與DC-DC變換器間形成間隙工作狀態(tài)，如果間隙工作通、斷周期在音頻范圍之內(nèi)，就會(huì)聽到嘯叫聲。

間隙工作期間流入DC-DC變換器的電流很大，極有可能造成保險(xiǎn)絲熔斷或燒黑輸入端串聯(lián)電阻。

保險(xiǎn)絲熔斷并非電流超過標(biāo)稱值就熔斷，而是需要電流超出標(biāo)稱值并持續(xù)一段時(shí)間，也就是說燒斷保險(xiǎn)需要一定的能量，所以此類保險(xiǎn)絲熔斷不屬于單機(jī)本身故障引起的。對于此類故障如果僅靠加大保險(xiǎn)系數(shù)反而為單機(jī)帶來更大的風(fēng)險(xiǎn)。

5 模擬實(shí)驗(yàn)情況

我們用Agilent公司N6705功率電源模擬供電電源，用串聯(lián)2 Ω電阻模擬線纜等效電阻，選用MHF+2805S作為單機(jī)內(nèi)部DC-DC變換器，用電子負(fù)載模擬單機(jī)用電。模擬實(shí)驗(yàn)記錄曲線見圖4。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)記錄曲線

我們根據(jù)實(shí)測地面設(shè)備斷電過程中的特性，模擬了母線電壓緩慢下降的過程。由圖可見，發(fā)生間隙工作的整個(gè)過程如下：

(1)在母線電壓從28 V緩慢下降的前半程，DC-DC變換器正常工作；

(2)隨著母線電壓的逐漸下降，為保證了輸出電壓的不變，輸入電流略有上升；

(3)當(dāng)母線電壓降至關(guān)斷電壓Voff=15 V時(shí)(MHF+2805S的設(shè)計(jì)指標(biāo))，系統(tǒng)開始出現(xiàn)間隙工作現(xiàn)象；間隙工作期間輸出電壓勉強(qiáng)維持不變(但輸出紋波變大)，而輸入電流超出允許范圍；從母線電壓上可清晰地看到DC-DC變換器關(guān)斷時(shí)電壓升高、開啟時(shí)電壓降低；輸入電流與輸入電壓(母線電壓)相位相反；

(4)當(dāng)母線電壓達(dá)不到再次開啟電壓Vin≤Von時(shí)，DC-DC變換器就徹底關(guān)斷。

6 結(jié)束語

通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出了航天器在地面測試加、斷電過程中發(fā)生保險(xiǎn)絲熔斷等異?，F(xiàn)象的故障機(jī)理，即地面供電系統(tǒng)使得單機(jī)電源模塊出現(xiàn)間隙工作的機(jī)理是由于供電系統(tǒng)存在過大的等效電容和等效電阻，供電線路與DC-DC變換器固有的UVLO回差不匹配造成的。對于該問題如果片面增大保險(xiǎn)絲或更換元器件，不僅不能從本質(zhì)上解決問題，相反還降低了單機(jī)的可靠性。

理論上解決問題有減小供電線纜等效電阻(尤其是電流大的情況)、調(diào)大DC-DC變換器的回差電壓、減小供電系統(tǒng)等效電容以降低儲(chǔ)能從而減少間隙工作持續(xù)的時(shí)間等3種方法，或者上述3種方法的綜合運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

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