1 前言

　　隨著機載技術(shù)的不斷發(fā)展,，為了滿足機載設備對電源模塊的要求，提高可靠性,，節(jié)約飛機上的能源和空間,，縮短研制周期，機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">模塊電源越來越多地用在了機載電子產(chǎn)品上。雖然模塊電源具有許多優(yōu)點,，但在模塊電源的研制過程中,，由于重點放在了提高電源效率，減小體積上,，尤其對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欠壓保護功能,。同時在機載產(chǎn)品中,，為了滿足國軍標GJB181-86對用電設備的要求，在地面電瓶車和機上電源轉(zhuǎn)換期間以及匯流條切換過程瞬間,，如何使機上設備正常工作,，即怎樣提高模塊電源輸出電壓的保持時間，也是模塊電源作為機載電源應重點解決的問題,。本文針對上述兩個問題進行了理論分析,，并給出了相應的解決方案。

　　2 過壓與欠壓保護電路

　　過,、欠壓保護電路的作用是,，當輸出電壓超過或低于設計值時，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,，從而達到保護電源模塊和用電設備的雙重功效。

　　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壓保護（OVP）電路（見圖1）,，或集成化的OVP電路,。前者的工作原理是，當過壓現(xiàn)象發(fā)生時,，齊納二極管D發(fā)生雪崩擊穿使V導通,，把電源輸出端短路，從而將過壓保護轉(zhuǎn)換為過流保護,，這種保護一旦發(fā)生,，只有把電源的輸入電壓斷開幾秒鐘后，才能使電路恢復正常,。而集成OVP保護電路是利用專門的集成電路（如MC3423）,，將過壓采樣信號加到感應電壓端，當輸出電壓大于某一額定電壓時,，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，使保護電路開始工作,。如果過壓條件撤出,，它可以使電路恢復正常。

圖1 齊納二極管和晶閘管組成的OVP電路

　　使用模塊電源時,，由于沒有獨立的脈寬調(diào)制器,，因此采用上述兩種方法進行過壓保護是行不通的。為此,，選用UC公司生產(chǎn)的UC3903芯片,，實現(xiàn)對輸出電壓的過、欠壓保護,。

　　2.1 UC3903芯片的性能及特點

　　UC3903系列集成電路可以同時響應4路電壓的過,、欠壓信號，內(nèi)部的運算放大反向器允許至少1路信號為負電壓,。其內(nèi)部包含過,、欠壓比較器，通用運算放大器,，電源過壓感應電路,，過、欠壓延時電路,，啟動鎖存電路和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現(xiàn)過、欠壓門限電壓的編程控制,，門限電壓以2.5V為基準變化,，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OC門輸出可以吸收超過30mA的負載電流,，這三個OC門輸出分別對應過壓（OV）、欠壓（UV）和電源工作正常（Power OK）三種情況,。除此之外,，UC3903內(nèi)部還包含一個獨立的運算放大器，該運放可以實現(xiàn)其它輔助功能,，例如用2.5V輸出作為基準電壓,、感應和放大反饋誤差信號。為了防止啟動瞬間過壓指示的誤動作,，UC3903內(nèi)部還具有啟動鎖存功能,。

　　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，可作為外部電路的基準電壓,。
　　WINDOW ADJUST 窗口調(diào)節(jié),。
　　SENSE 4 INVERT INPUT 過、欠壓信號輸入端4反向電壓輸入端,。
　　SENSE 1－4 過,、欠壓信號輸入端。
　　OV RELAY過壓延時,。
　　OV FAULT 過壓故障,，信號電平為低電平有效。
　　UV FAULT 欠壓故障,，信號電平為低電平有效,。
　　POWER OK 電源工作正常指示。
　　LINE/SWITCHER SENSE 電網(wǎng)/開關(guān)感應端,。
　　OUTPUT 通用運算放大器輸出端,。
　　N.I 通用運算放大器同向端。
　　INV. 通用運算放大器反向端,。

　　2.3 典型應用

　　UC3903用于3路輸出模塊電源過,、欠壓保護電路的典型應用如圖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后,，分別與過,、欠壓門限電壓比較，經(jīng)過,、欠壓比較器檢測,，輸出正常時OC門輸出腳11（OV FAULT）、腳12（UV FAULT）,、腳14（POWEROK）經(jīng)過電阻R15上拉為TTL高電平,。如果某一路或幾路輸出電壓有故障（過壓或欠壓），該監(jiān)控器的腳11,，腳12或腳14即輸出一個TTL低電平,，此電平作為故障告警信號，加至模塊電源的控制端,，關(guān)閉電源模塊的輸出,，實現(xiàn)過、欠壓保護,。

圖3 三路輸出模塊電源過,、欠壓保護電路圖

      3 輸出電壓保持時間

　　3.1 保持時間的定義

　　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)無法正常工作的臨界值時,，輸出電壓能夠維持一段時間，這段時間稱之為輸出電壓保持時間,。

　　對于機載設備,，按照國軍標GJB181-86對用電設備的要求，輸出保持時間有兩個含義,。一是指當輸入電壓欠壓時,，即直流輸入電壓降到8V，交流輸入電壓降到70V時,，系統(tǒng)應能滿足50ms的保持時間要求,，也就是系統(tǒng)要能正常工作50ms。另一種是指當輸入電壓徹底斷開時,，系統(tǒng)輸出電壓能夠保持多長時間,，使得系統(tǒng)仍能夠工作。

　　3.2 保持時間的計算方法

　　3.2.1 交流輸入的保持時間計算

　　交流輸入整流電路和整流波形分別見圖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時刻開始,，整流橋輸出電壓大于儲能電容器C上的電壓,，整流橋?qū)ǎ斎腚娋W(wǎng)對C充電,，同時向負載提供能量,。在t1時刻,，整流橋輸出電壓達到最大值，限流電阻R上的電壓也達到最大值URm,。然后整流橋電壓開始下跌,，C也開始放電，并和電網(wǎng)一起通過開關(guān)向負載提供能量直至t2時刻,。而此時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時間內(nèi),，電容器處于放電狀態(tài)，C放電直至t3時刻結(jié)束,。

　　從以上的描述中,，可以把在放電后t2至t3這一段時間稱為輸出電壓維持時間tk，用公式表示為

tk=t3－t2 （1）

　　當t0到t1,、t2的時間遠小于tk時,則可近似認為電容C在tk時間內(nèi)向負載提供能量,也即是開關(guān)電源的輸入功率Pi.如果用U2,、U3表示t2、t3時刻對應的輸入電壓,則維持時間可用公式表示為

tk= （2）

　　3.2.2 直流供電的開關(guān)電源保持時間

　　在直流供電條件下,開關(guān)電源輸出保持時間tk的計算公式是

tk= （3）

　　式中：U2——輸入電壓最低時的電壓值,；

　　U3——輸出電壓下降到臨界值時對應的輸入電壓,。

　　3.3 延長輸出保持時間的方法

　　由上述分析結(jié)果可以看出，輸出保持時間的長短主要與輸入電容Ci,，電源輸入功率Pi,，t2、t3時刻對應的電壓值U2,、U3有關(guān)外,，還與輸出電容和輸出負載也有一定的關(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,，而放電時間相對于充電時間較快，且與負載有關(guān),因此相對于輸入電容,，輸出電容對保持時間的影響幾乎可以忽略不計,。在體積重量允許的情況下,采取多個電容并聯(lián)的方式來增大Ci容量，可延長輸出保持時間,。然而,，隨著輸入電容的增大，電源啟動瞬間的浪涌電流也會增大,，使得功率管的峰值電流應力增加,，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,，除增加儲能電容的容量外,，適當設計輔助電路，使其在電網(wǎng)正常時不工作,，僅僅在欠壓瞬間工作,，這樣就可以減小啟動瞬間的浪涌電流，提高正常工作時的電源效率,，并且能夠延長輸出電壓的保持時間,。

　　對于直流供電的模塊電源一般采用輔助升壓電路，當供電電源低于某一設定值時,，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間均得到了延長。

　　對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,，因此延長保持時間主要指的是延長輸入電壓斷電時的保持時間，采用圖6所示的輔助電路可以將電源的保持時間延長將近1倍,。其工作原理是,，當輸入電壓正常時，電容C2上的電壓為整流后的電壓,，且該電壓經(jīng)過二極管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上存儲一定的電壓,，功率管Q1不導通時，只有電容C2上的電壓加至模塊電源上,。當輸入電壓下降后,，其它檢測單路輸出的控制信號加至Q2上，使Q1導通,，而此時電容C2上的電壓低于C1上的電壓,，這樣C1上的電壓向模塊供電，相當于模塊電源的輸入電壓升高,，其結(jié)果必然使輸出保持時間延長,，而這部分電路在電網(wǎng)正常時并不工作，因此不會帶來啟動瞬間電流增大的問題,。

圖6 延長保持時間電路圖

　　4 結(jié)語

　　由于使用了過,、欠壓保護電路，不僅使電源本身的保護能力得到加強,，也使得電源的智能化水平有所提高,。將電源正常指示信號和過,、欠壓信號通過接口電路加到計算機上，可以方便地檢測電源的工作,，提高電源的可測試性,，進而提高了電源的可維護性。

　　使用輔助電路延長輸出電壓的保持時間,，不僅電路結(jié)構(gòu)簡單,，而且也較好地解決了增大輸入電容與延長保持時間之間的矛盾，降低了起動瞬間的浪涌電流,。

　　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，模塊電源勢必會在機載領(lǐng)域得到廣泛的應用,。