謝芳，韋穎，丁軻

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230000）

在電氣指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在突發(fā)故障情況下仍能安全可靠地工作，必須設(shè)計多種保護電路，如防浪涌的軟啟動電路，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路[1].

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機載設(shè)備中越來越多地使用直流分機冷卻設(shè)備，輸入過壓保護是保證直流風(fēng)機設(shè)備安全運行不可或缺的條件[2].直流風(fēng)機設(shè)備長時間工作在過壓條件下，受到的危害主要表現(xiàn)在器件因承受電壓應(yīng)力超標(biāo)而受損或損壞，直流風(fēng)機使用壽命降低[3].因為直流風(fēng)機冷卻系統(tǒng)失效導(dǎo)致整機設(shè)備工作中熱積累引起系統(tǒng)過溫保護無法長時間穩(wěn)定工作[4].因此，最早推出的是使用傳統(tǒng)的DC/DC 開關(guān)變換器大規(guī)模集成電路的方式，將載機輸入DC28 V 隔離穩(wěn)壓DC24 V 等電壓品種給直流風(fēng)機供電.這種傳統(tǒng)供電方式以犧牲整機資源（如整機效率、功率密度、電磁兼容性等）為代價[5].

本文提出以可控精密穩(wěn)壓源TL431 為核心的過壓保護電路在直流風(fēng)機領(lǐng)域的應(yīng)用，既能滿足機載整機效率、功率密度和電磁兼容性等要求，同時避免后端風(fēng)機受輸入過壓損壞，保證風(fēng)機安全可靠運行，提高系統(tǒng)可靠性，實驗結(jié)果驗證了該設(shè)計的可行性.

1 可控精密穩(wěn)壓源TL431 工作原理

可控精密穩(wěn)壓源TL431 集成電路是三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，在高精度穩(wěn)壓領(lǐng)域中逐漸替代傳統(tǒng)齊納二極管，因為TL431 內(nèi)部包含一個溫度穩(wěn)定和精度高的誤差放大器的基準電壓，其典型電壓值為2.495 V（基準的范圍為2.483～2.507 V)，為反向輸入端提供偏置[6]，其功能框圖見圖1.

圖1 TL431 的功能框圖

根據(jù)功能框圖，TL431 是輸出驅(qū)動雙極型晶體管，當(dāng)參考電壓低于2.495 V 時，雙極型晶體管保持關(guān)斷；但當(dāng)參考電壓高于2.495 V 時，雙極型晶體管開始導(dǎo)通[7].

根據(jù)原理TL431 可以作為比較器使用[8]，當(dāng)基準電壓超過2.495 V 時，陰極電壓降低到約2 V；當(dāng)基準電壓低于2.495 V 時，陰極電壓通過調(diào)節(jié)R1和R2的電阻值實現(xiàn)在2.5～2.6 V 范圍內(nèi)任意值[9]（見圖2），其輸出表達式：VKA=（1+R1R2）×Vref，其中需要保證IKA值在1～100 mA 范圍內(nèi)[10]，其表達式

圖2 輸出電壓調(diào)節(jié)電路

2 基于TL431 的直流風(fēng)機過壓保護電路設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

根據(jù)TL431 工作原理，本文設(shè)計一種基于TL431 的輸入過壓保護電路并應(yīng)用在機載28 V 直流風(fēng)機領(lǐng)域，輸入過壓保護電路原理設(shè)計見圖3.其中器件位號R1，，R3串聯(lián)電阻構(gòu)成輸入電壓采樣電路，基準參考端電壓值Vref表達式

圖3 基于TL431 的直流風(fēng)機輸入過壓保護電路原理

當(dāng)輸入電壓在設(shè)置電壓范圍內(nèi)，使基準參考端電壓值Vref小于2.495 V，TL431 的雙極型晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓VKA表達式

因穩(wěn)壓管V2和V3鉗位功能，同時VKA會超過穩(wěn)壓管鉗位電壓，此時輸入電壓在后端設(shè)備允許的供電范圍內(nèi)，MOS 管導(dǎo)通VGS電壓高于開啟電壓閾值，風(fēng)機正常工作.

當(dāng)輸入電壓超過設(shè)置電壓范圍，使基準參考端電壓值Vref大于2.495 V 時，陰極電壓VKA降低到約2 V，此時因穩(wěn)壓管V2鉗位功能，使MOS 的VGS電壓小于1 V，電壓閾值，MOS 管截止，風(fēng)機停止工作.

2.2 電路參數(shù)設(shè)計

目前，直流風(fēng)機有很多種，本文應(yīng)用實例使用機載直流風(fēng)機為DC24 V，輸入最大供電電壓為DC32 V.因此，輸入過壓保護點設(shè)置在31.5 V，輸入電壓值大于31.5 V 時，風(fēng)機停止工作；輸入電壓恢復(fù)到31.5 V以內(nèi)時，風(fēng)機正常工作，電路參數(shù)為：

因風(fēng)機工作高溫環(huán)境，額定電流10 A，輸入電壓峰值到50 V，開關(guān)管V4選用N 溝道增強型MOS，型號為IPB017N10N5（ID=180 A,VDS=100 V,VGS=±20 V），及超低導(dǎo)通阻抗RDS=1.7 mΩ降低導(dǎo)通損耗，保證高溫環(huán)境下MOS 管正常工作.

因基準電壓超過2.495 V 時，VKA約等于2 V，臨近MOS 管門限閾值，使MOS 臨界導(dǎo)通，而此時輸入電壓處于過壓狀態(tài)，導(dǎo)致后端風(fēng)機損壞.因此，在MOS 管V4的柵極反串一個穩(wěn)壓管V2（穩(wěn)壓值2 V），防止上述情況發(fā)生.

因MOS 管VGS電壓范圍為±20 V，所以在柵極和源極之間并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓值為15 V），保護柵極和源極之間過壓損壞.

因過壓保護點設(shè)置為31.5 V，TL431工作電流IKA范圍為1～100 mA，同時考慮供電輸入正常范圍18～31.5 V，R1阻值為8.2 kΩ，阻值為680 Ω，R3阻值為1.2 kΩ，R4阻值為5.1 kΩ.

根據(jù)式（1）～（3）可以得出，在設(shè)置輸入范圍內(nèi)（18～31.5 V），Vref計算值（1.423～2.49 V）、VKA計算值（11.95～20.92 V）、IKA計算值（1.18～2.08 mA）滿足器件工作條件.

因后端負載為風(fēng)機，為感性負載，電流不能突變，過壓保護時MOS 關(guān)斷，此時風(fēng)機中電流無法突然變化，產(chǎn)生一個與輸入電壓方向相向的感應(yīng)電動勢，需要提供該能量釋放回路，否則會損傷MOS.所以在風(fēng)機兩段并聯(lián)一個反向二極管，實現(xiàn)當(dāng)電路進入過壓保護時，釋放風(fēng)機中能量.

根據(jù)分析可以得出電路參數(shù)設(shè)置合理，滿足使用要求，并實驗驗證.

3 實驗結(jié)果

實驗測試臺由直流穩(wěn)壓電壓1臺（要求輸入電壓從0～50 V 可調(diào)）、四通道示波器1 臺（電壓探頭2支）、電子負載和過壓保護電路產(chǎn)品1只組成.采用示波器的通道1 測量過壓保護電路的輸入電壓波形，示波器通道2 測量過壓保護電路中三端穩(wěn)壓器（TL431）V1的Vref電壓波形（見圖4）.

圖4 實驗測試臺

3.1 過壓測試結(jié)果

直流穩(wěn)壓電源輸入電壓以1 V 步進從28 V 上升到32 V，此時輸入?yún)⒖级穗妷?.53 V，超過基準參考電壓值2.495 V，VKA電壓約為2 V，MOS 管V4處于截止?fàn)顟B(tài)，此時輸入電壓全部加在MOS 的漏源之間，風(fēng)機停止工作.實驗測試結(jié)果見圖5.

圖5 輸入電壓32 V 時風(fēng)機兩端電壓值

當(dāng)輸入電壓Vin由32 V 降低到28 V 時，根據(jù)式（2）可以計算三端穩(wěn)壓器（TL431）V1控制參考端電壓Vref從2.5 V 下降到2.2 V，低于基準參考電壓值2.495 V，此時雙極型晶體管處于截止?fàn)顟B(tài).根據(jù)式（3）可以得到，VKA電壓值為18.593 V，MOS 管柵源電壓為15 V，MOS 管V4導(dǎo)通，MOS 管漏源間電壓近似為0 V，風(fēng)機F1兩端電壓近似輸入電壓值，此時風(fēng)機正常工作.實驗測試結(jié)果見圖6.

圖6 輸入電壓28 V 時風(fēng)機兩端電壓值

根據(jù)測試結(jié)果，輸入電壓過壓時電路進行過壓保護，保證后端用電設(shè)備風(fēng)機運行的安全性.輸入電壓0～32～28 V 電路工作過程見圖7.

圖7 輸入電壓0～32～28 V 過電壓 VKA 變化

根據(jù)實驗結(jié)果，可以得出該電路具有輸入過壓保護功能，且當(dāng)輸入過壓現(xiàn)象消失，恢復(fù)到設(shè)置電壓范圍后電路自恢復(fù)正常工作.

3.2 過壓保護時間

當(dāng)輸入電壓為32 V 時的電路過壓保護動作時間見圖8.當(dāng)輸入電壓從0 V 升到32 V 時，電路過壓保護時間為10 ms.

圖8 輸入電壓32 V 時過壓保護時間

當(dāng)輸入電壓為33 V 時的電路過壓保護動作時間見圖9.當(dāng)輸入電壓從0 V 升到33 V 時，電路過壓保護時間為2.6 ms.

圖9 輸入電壓33 V 時過壓保護時間

綜上所述，當(dāng)輸入電壓在32 V 時，過壓保護響應(yīng)的時間只有10 ms；當(dāng)輸入電壓在33 V 時，過壓保護響應(yīng)的時間只有2.6 ms.由此可見，當(dāng)輸入電壓升得越高，過壓保護電路的響應(yīng)時間就越快，有效降低了電壓尖峰在后端用電設(shè)備上的能量積累，提高風(fēng)機使用壽命.

4 結(jié)語

本文基于TL431 設(shè)計了一種應(yīng)用在機載直流風(fēng)機供電的輸入過壓保護電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強、成本低等特點，還具有隨著輸入電壓的升高，過壓保護的響應(yīng)速度越快，能降低過壓瞬態(tài)在風(fēng)機上的能量累積的特性.輸入過壓保護電路采用低導(dǎo)通內(nèi)阻增強型MOS 為開關(guān)管，可以有效地降低風(fēng)機正常工作時的能量損耗.同時，MOS 管根據(jù)輸入電壓值工作在低頻開關(guān)狀態(tài)，相比較傳統(tǒng)的DC-DC 模塊在高頻開關(guān)噪聲方面具有更好的電磁兼容性.