山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺 264003

空間供配電系統(tǒng)通常在電源母線上采取必要的過流或短路防護措施，以避免對母線造成永久性的損傷。傳統(tǒng)的熔斷器保護功能單一，且不可恢復(fù)，已無法滿足航天器產(chǎn)品對小型化、智能化的設(shè)計需求[1]。為解決上述問題，以半導(dǎo)體功率器件為開關(guān)的固態(tài)配電保護電路作為新興的配電產(chǎn)品在國外被廣泛研究和應(yīng)用，目前已經(jīng)取得了很大進展[2]。與國外相比，國內(nèi)的固態(tài)配電產(chǎn)品研制技術(shù)水平還相對落后，到目前為止，國內(nèi)的航天器大多采用“繼電器+熔斷器”的配電體系[3]，還沒有一顆真正意義上的配電器完全采用固態(tài)配電技術(shù)的先例。

本文設(shè)計了一款以半導(dǎo)體功率器件為核心的固態(tài)限流保護電路，采用指令控制模式開啟或關(guān)斷，當(dāng)電路發(fā)生過流或短路保護時，負載電流被限制在某一特定值，延時一段時間后關(guān)斷；且限流保護值外部可調(diào)。設(shè)計滿足小型化、輕量化需求。

1 電路設(shè)計

固態(tài)限流保護電路主要由功率MOSFET開關(guān)、輔助供電電路、電流采集電路、驅(qū)動電路、限流與延時電路、開啟/關(guān)斷控制電路等構(gòu)成[4-8]。電路原理框圖如圖1所示。

圖1 電路原理框圖Fig.1 Circuit block diagram

限流保護電路分為正常導(dǎo)通和限流關(guān)斷兩種工作模式，通過接通/關(guān)斷狀態(tài)指示端顯示。負載正常工作條件下，母線上通過的電流小于電路設(shè)定的限流保護值時，電路工作在正常導(dǎo)通模式；負載發(fā)生過流或短路時，母線上通過的電流大于或等于設(shè)定的限流保護值，電流采集電路產(chǎn)生限流和延時關(guān)斷信號，驅(qū)動MOSFET關(guān)斷，限流保護電路進入限流關(guān)斷模式。

1.1 輔助供電電路

限流保護電路內(nèi)部集成了輔助供電電路，直接接在供電母線上，主要功能是將電源母線上的電壓進行分壓整流，作為輔助電源為其他控制電路提供穩(wěn)定的工作電壓和電流。電路原理如圖2所示。

圖2 輔助供電電路Fig.2 Auxiliary power supply circuit

輔助供電電路直接接在電源母線VIN1上，電源上電瞬間，電路在穩(wěn)壓管VE1作用下通過三極管V1為電容C1充電，因此，輔助供電電平等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值減去三極管BE結(jié)的電壓。根據(jù)控制電路需要的輔助電源電壓范圍，通常選取穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值在6 V左右。

1.2 電流采集電路

電流采集電路的主要功能是將流經(jīng)電源母線的電流以電壓的形式反映出來，其核心是高精密的采樣電阻，而電路的限流保護值則由采樣電阻的阻值決定，電路原理如圖3所示。

圖3 電流采集電路Fig.3 Current collecting circuit

VIN1為電源母線電壓，VOUT2、VOUT3分別接MOS管的源極和柵極。母線電流流經(jīng)采樣電阻RS，隨著電流增大，采樣電阻兩端電壓逐漸升高。當(dāng)采樣電阻兩端電壓接近一定值時，三極管V3由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)，輸出電壓VOUT3升高，導(dǎo)致MOS管的源柵極電壓降低，MOS進入線性工作區(qū)，負載電流限定在某一特定值IL，電路進入限流工作模式。V3的BE結(jié)壓降VBE約為0.6V，V2正向?qū)▔航礦F約為0.18 V，流經(jīng)R3的電流極小，兩端電壓可忽略不計。因此，采樣電阻的阻值可由如下公式確定：

常溫工況下，當(dāng)溫度變化1 ℃時，VBE與VF的變化量相當(dāng)，并且具有負溫度系數(shù)。所以，電路對于降低限流保護值的溫漂和采樣電阻的功耗具有一定作用。

1.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的主要功能是對電流采集電路的輸出電壓做出響應(yīng),及時啟動限流延時電路，關(guān)斷MOS開關(guān)，電路原理如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路Fig.4 Drive circuit

VIN2接MOS管的源極(即圖3的VOUT2)、VIN3接MOS管的柵極(即圖3的VOUT3)，電路正常工作時，穩(wěn)壓二極管VE2的穩(wěn)壓值為10 V左右，MOS管源柵極電壓約為10.7 V，三極管V4維持飽和導(dǎo)通。當(dāng)負載發(fā)生過流或短路時，MOS管柵極電壓逐漸升高，導(dǎo)致MOS管源柵極電壓逐漸降低，電路進入限流模式。當(dāng)MOS管柵極電壓升高到一定值時，穩(wěn)壓管VE2不再具有穩(wěn)壓作用，三極管V4變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，集電極變?yōu)榈碗娖剑訒r電路開始工作。

1.4 限流與延時電路

限流與延時電路的主要功能是在母線發(fā)生過流后，電路將母線電流限制在一定值，保持一段時間(限流延時關(guān)斷時間：tD)后關(guān)斷，既能躲過浪涌電流的干擾，又能保護后級電路的安全。電路原理如圖5所示。

圖5 限流與延時電路Fig.5 Current limiting and delay circuit

電路發(fā)生過流或短路時，驅(qū)動電路的輸出端VOUT4輸出低電平信號給限流與延時電路的輸入端VIN4，即VIN4變?yōu)榈碗娖?，VIN2接MOS管源極(即圖3的VOUT2)，為高電平，此時，二極管V7、V8導(dǎo)通，定時電容C2通過電阻R7開始放電，電路延時功能啟動。C2放電一定時間(限流延時關(guān)斷時間：tD)后，二極管V9導(dǎo)通，三極管V6由截止?fàn)顟B(tài)進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，其集電極電壓變高，輸出關(guān)斷信號VOUT5，電路延時狀態(tài)結(jié)束，進入關(guān)斷狀態(tài)。

1.5 開啟/關(guān)斷控制電路

開啟/關(guān)斷控制電路的主要功能是通過指令模式控制電路的開啟與關(guān)斷。電路原理如圖6所示。

圖6 開啟/關(guān)斷控制電路Fig.6 On/off control circuit

電路分為正常導(dǎo)通和限流關(guān)斷兩種工作模式。負載正常工作時，電路工作在正常導(dǎo)通模式，通過輸入端VIN5和VIN6分別控制電路的開啟與關(guān)斷，當(dāng)開啟指令通過輸入端VIN5產(chǎn)生上升沿動作時，觸發(fā)器D1的Q端輸出高電平，V10飽和導(dǎo)通，限流保護電路處于正常導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)關(guān)斷指令通過輸入端VIN6產(chǎn)生正脈沖信號時，觸發(fā)器D1產(chǎn)生復(fù)位動作，Q端輸出低電平，V10截止，限流保護電路處于正常關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)負載過流或短路時，電路進入限流關(guān)斷工作模式。在控制電路設(shè)計上，采用了電流環(huán)控制的方法，根據(jù)需要設(shè)定限流值和其對應(yīng)的過流保護電壓基準(zhǔn)，當(dāng)負載電流變化時，經(jīng)電流采樣后，采樣電壓與過流保護電壓基準(zhǔn)比較，若采樣電壓大于過流保護電壓基準(zhǔn)，限流關(guān)斷電路開始工作，把電流限制在一定值上。經(jīng)過延時電路的一段延時時間后，VIN7(即限流與延時電路的VOUT5)作為限流延時關(guān)斷信號產(chǎn)生復(fù)位信號，促使觸發(fā)器D1輸出關(guān)斷信號將三極管V10關(guān)斷，VOUT7通過電阻與后級驅(qū)動電路的輸入端VIN3相連，產(chǎn)生高電平關(guān)斷后級驅(qū)動電路，同時將MOS管關(guān)斷。VOUT6為通斷指示輸出端，電路正常工作時為低電平，電路關(guān)斷時為高電平。

2 電路仿真

為驗證電路原理設(shè)計，利用Cadence/OrCAD Capture仿真工具對電路進行系統(tǒng)仿真，主要對電路的限流保護功能和通斷指示功能進行驗證。

利用Cadence工具，設(shè)置電源母線電壓為28 V，負載電流為0.5 A，打開電源和負載，在開啟控制端口輸入5 V的正脈沖信號，電路開啟，處于正常工作狀態(tài)，通斷指示電壓為低電平。一段時間后，將負載電流設(shè)置成過流模式，電路進入限流保護狀態(tài)，負載電流被限制在某一特定值，延遲一段時間后關(guān)斷，電路關(guān)斷后通斷指示電壓變?yōu)楦唠娖?。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電路功能仿真波形Fig.7 Circuit function simulation waveform

仿真結(jié)果表明，電路限流保護模式下的限流保護值為1.25 A，保護時間為13 ms，通斷指示電壓高電平為4.5 V，低電平為0 V。

3 電路實現(xiàn)

為滿足宇航空間應(yīng)用，對產(chǎn)品進行小型化、輕量化設(shè)計，采用厚膜微組裝技術(shù)進行版圖布局與設(shè)計?？煽啃栽O(shè)計方面，選用金屬全密封外殼，外殼基體材料為可伐合金，殼體表層鍍鎳，滿足產(chǎn)品的24 h抗鹽霧要求?；暹x用與外殼和元件熱膨脹系數(shù)相近的96% Al2O3陶瓷基板，成膜基板與金屬外殼之間采用錫焊工藝固定。版圖設(shè)計方面，信號電路和功率電路分開布局，大功率電路采用錫焊焊接以保證其與成膜基板之間有良好的導(dǎo)熱通道，小功率電路采樣導(dǎo)電膠粘結(jié)，尺寸大的片式電容進行端頭錫焊的同時中間采用絕緣膠粘結(jié)加固。

圖8 產(chǎn)品內(nèi)部版圖布局Fig.8 Product internal layout

電路小型化設(shè)計方面，為提高系統(tǒng)的集成度和通用性，將采樣電阻RS和功率MOS器件置于厚膜混合集成電路外部，這樣做既可以減小混合電路的體積，提高可靠性，又可以根據(jù)使用需要調(diào)整電路的限流保護值，拓展產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。電路基于空間二次電源的28 V母線設(shè)計，最大極限工作電壓范圍為23～33 V。根據(jù)電路設(shè)計，電路的限流保護值IL=0.42 V/RS，即限流保護值由采樣電阻決定。當(dāng)RS阻值增大時，限流值減小，功耗隨之增大，母線上的電壓跌落也隨之增大，使用時應(yīng)合理選擇限流電阻RS。功率MOS器件的輸入電容影響產(chǎn)品的響應(yīng)特性，設(shè)計時應(yīng)選用輸入電容小的器件。由于電路進入限流保護工作模式時，MOS管處于線性工作區(qū)，此時MOS管阻抗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，因此，使用時建議選擇導(dǎo)通電阻小的器件，通常MOS管的導(dǎo)通電阻應(yīng)不大于300 mΩ，并采取必要的散熱措施。同時，結(jié)合限流保護時間，電路的限流值不可能無限制增大，否則將燒毀MOS管。根據(jù)經(jīng)驗，電路限流值一般控制在5A左右，從而計算得到采樣電阻RS最小值為80 mΩ，推薦取值范圍為80 mΩ～2 Ω，即限流范圍為0.21 A～5.25 A。

根據(jù)產(chǎn)品組裝工藝流程，經(jīng)焊接、貼裝、鍵合，最終，產(chǎn)品的內(nèi)部版圖布局如圖8所示。

4 電路測試

為驗證產(chǎn)品性能，根據(jù)電路預(yù)期性能指標(biāo)，對組裝的電路樣品進行了系統(tǒng)測試。測試線路如圖9所示。

根據(jù)測試原理搭建測試線路，采樣電阻RS選擇0.33 Ω的精密電阻，計算得到產(chǎn)品的限流值為1.27 A。電源電壓母線設(shè)置為28 V，對電路樣品進行全溫度(-55～125 ℃)范圍的測試，常溫工況下，電路的限流保護測試波形和通斷指示測試波形如圖10所示。

圖10 電路測試波形Fig.10 Circuit test waveform

結(jié)果表明，常溫下電路的限流保護值為1.25 A，保護時間為13.22 ms；電路正常工作時的通斷指示電壓為0 V，關(guān)斷后的通斷指示電壓為4.56 V。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，滿足設(shè)計要求。全溫度范圍下電路樣品的全參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 電路測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，全溫度范圍內(nèi)固態(tài)限流保護電路適用的母線電壓范圍在23～33 V之間，靜態(tài)電流不到3 mA；通過合理設(shè)置采樣電阻和功率MOS器件，測得電路的過流保護值在1.25 A左右，限流保護時間在13 ms左右，完全滿足空間供配電系統(tǒng)對限流保護電路的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一款空間電源母線用的固態(tài)限流保護電路，利用厚膜微組裝技術(shù)進行小型化設(shè)計和組裝生產(chǎn)，電路集成了限流保護和狀態(tài)指示等功能，且限流保護值外部可調(diào)。通過電路設(shè)計仿真、版圖布局以及最終電測試，驗證了產(chǎn)品性能完全滿足空間供配電系統(tǒng)對限流保護電路的設(shè)計要求，且產(chǎn)品尺寸僅為25 mm×23 mm×5.5 mm，在小型化設(shè)計方面優(yōu)勢明顯。目前，該電路產(chǎn)品已成功應(yīng)用于空間多個型號的星載供配電系統(tǒng)中。