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高压浪涌抑制器取代笨重的无源组件 并更易于满足 MIL-STD-1275D 要求

作者:angelazhang时间:2015-12-10

军用车辆中的电子设备面临一些独特挑战,其中的主要挑战是须靠反常的电源工作。由于意识到这种在现场发生难以轻易解决的电源波动问题,美国国防部制定了 MIL-STD-1275D 规范,该规范将 28V 电源供电的军用车辆电子系统的要求设定为标准要求。设计能够承受 MIL-STD-1275D 浪涌及有关瞬态的系统,传统上需要大型和昂贵的无源组件。凌力尔特的浪涌抑制器产品非常适合保护系统免受这类浪涌影响,同时降低了成本和减小解决方案尺寸。

MIL-STD-1275D 的要求

MIL-STD-1275D 定义了各种情况,最重要的是,对稳定状态工作、启动干扰、尖峰、浪涌和纹波情况做出了规定。MIL-STD-1275D 针对 3 种独立的“工作模式”制定了对上述每一种情况的要求:启动模式、正常运行模式和仅发动机模式。

在描述尖峰、浪涌、纹波以及其他要求的细节之前,先来看一下工作模式。毫不奇怪,“启动模式”描述的是引擎启动时发生的情况;“正常运行模式”描述的是系统无故障运行时的情况;“仅发动机模式”描述的是一种特别恶劣的情况,即电池断接和发电机直接给电子设备供电。

仅发动机模式是一种非常富挑战性的情况。通常,尽管发电机电源波动,但电池保持相对恒定的电压,因此掩盖了发电机的不稳定性。可以预料,为仅发动机模式设定的限制比正常工作模式严格。在大多数情况下,如果一个系统能够通过在“仅发动机模式”情况工作,那么该系统在正常运行模式时不会有任何问题。(一种可能的例外是,与处于正常运行模式的 20mΩ 源阻抗相比,仅发动机模式的 500mΩ 源阻抗在浪涌期间可以减轻负担。)

稳定状态

与任何标准都类似的是,MIL-STD-1275D 详细解释了各种情况和要求。本文的目的是,以更加容易理解的形式介绍这些要求以及建议采用的解决方案。如需更加准确地了解各种定义和要求,请查阅 MIL-STD-1275D。

MIL-STD-1275D 给出的“稳定状态”定义是:“电路值保持基本恒定的情况,这种情况在所有初始瞬态或波动情况平复之后出现。在这种情况中,还有一点也是明确的,即在系统正常运行期间仅发生固有或自然变化 (即系统没发生故障,对系统的任何部分都未进行意外更改)。”

简言之,在稳定状态,输入电压保持相对恒定。

如表 1 所示,在正常运行模式,稳定状态输入电压范围为 25V 至 30V。在仅发动机模式 (发生电池断接情况),稳定状态电压范围稍微宽一些,为 23V 至 33V。

表 1:在正常运行模式和仅发动机模式, MIL-STD-1275D 的一些规格

尖峰

这里我们不引用 MIL-STD-1275D 的“尖峰”定义,而是看看图 1 中所示例子。尖峰一般是震荡性的 (振铃),并在 1ms 时间内逐步衰减到稳定状态电压。MIL-STD-1275D 申明,这类尖峰发生在切换电抗性负载之时,也可能发生在鸣响号角、操作舱底泵、启停引擎或旋转枪架期间。

尽管上述描述在理解尖峰时是有用的,但是实际要求是由图 2 定义的 (就仅发动机模式而言)。此外,在 5.3.2.3 小节“输入 EDUT 的电压尖峰”中,MIL-STD-1275D 描述了推荐的测试配置以及所需的上升时间和震荡频率。需要提到的一个重要事实是,能量最大值限制到 15mJ。对正常运行模式的尖峰要求与仅发动机模式类似,只是正常运行模式限制是 40V (在 1ms),而不是 100V (在 1ms)。


图 1:MIL-STD-1275D 尖峰

图 2:仅发动机模式的尖峰包络

浪涌

尖峰是持续时间不到 1ms 的瞬态;浪涌则是持续时间较长的瞬态。图 3 显示了对仅发动机模式的限制。请注意,MIL-STD-1275D 推荐进行的测试规定,应该以 1s 的重复时间,给系统输入加上 5 个持续时间 50ms 的 100V 脉冲。有趣的是,图 3 所示浪涌情况的包络要求比较难以满足,因为该浪涌未在全部 500ms 时间内保持 40V。本文所示解决方案满足了这些情况的要求。就浪涌而言,对正常运行模式的要求是较为容易;正常运行模式的浪涌包络类似,除了电压最大值是 40V 而不是 100V。如需了解本文未涉及的详细信息,读者应该参阅实际的 MIL-STD-1275D 规范。


图 3:仅发动机模式的浪涌包络

纹波

纹波这个术语指的是,输入电压相对于稳定状态 DC 电压的变化。纹波频率可能由 50Hz 至 200kHz 的频率组成。在仅发动机模式,纹波相对于 DC 稳定状态电压可能偏离多达 ±7V。在正常运行模式,纹波略低,相对于稳定状态 DC 电压偏离 ±2V。MIL-STD-1275D 规范规定了明确的测试条件,并推荐了一组测试频率。

启动模式

除了正常运行模式和仅发动机模式,MIL-STD-1275D 规范还定义了启动模式,描述了引擎启动器和发动导致的电压变化。图 4 来自 MIL-STD-1275D 规范。曲线从稳定状态 DC 电压开始,然后在“初次啮合浪涌 (Initial Engagement Surge - IES)”期间降到低至 6V。在 1 秒时间内,该曲线上升至“发动级”,这时最低电压为 16V。该曲线在 30 秒时间内再次返回到稳定状态 DC 电压。


图 4:启动干扰

其他要求

MIL-STD-1275D 明确规定,系统必须承受极性反转而不被损坏。在迅速启动期间,如果启动器电缆反接了,就会出现这种情况。MIL-STD-1275D 接下来引用了另一个有关电磁兼容性要求的标准 MIL-STD-461,而该标准超出了本文讨论范围。

符合 MIL-STD-1275D 要求的浪涌抑制器解决方案

凌力尔特公司的浪涌抑制器产品可构成富有吸引力的 MIL-STD-1275D 兼容解决方案。其他设计一般在输入采用并联箝位,这在持续过压情况下,可能导致损坏或保险丝熔化。

当面对输入电压尖峰和浪涌时,LTC4366 和 LT4363 等高压浪涌抑制器用串联 MOSFET 限制输出电压,而不是用笨重的无源组件将很多能量分流到地。在正常运行时,MOSFET 得到全面改进以最大限度降低 MOSFET 的功耗。当浪涌或尖峰期间输入电压上升时,浪涌抑制器调节输出电压,以向负载提供安全、不间断的供电。电流限制和定时器功能保护外部 MOSFET 免受更严重情况的影响。

浪涌

在 MIL-STD-1275D 中,MOSFET 功耗最严重的情况发生在 100V 输入浪涌时。图 5 所示电路将输出电压调节至 44V。结果,该电路必须从 100V 输入下降 56V,降至 44V 输出。在这一符合 MIL-STD-1275D 要求的解决方案中,为了提高输出端可用功率,采用了两个串联 MOSFET。用 LTC4366 将第一个 MOSFET 的源极调节至 66V,同时用 LT4363 将第二个 MOSFET 的源极调节至 44V。这就降低了在两个 MOSFET 任意一个中必须消耗的功率。


图 5:符合 MIL-STD-1275D 要求的 4A/28V 解决方案向 4A 负载不间断供电,同时在 MIL-STD-1275D 规定的 100V/500ms 浪涌和 ±250V 尖峰时将输出电压限制到 44V;在 ±7V 纹波时向 2.8A 负载供电。

图 6 和 7 显示了浪涌测试时测得的结果。图 6 中的示波器波形显示,这个电路的工作满足之前描述的全部 100V/500ms MIL-STD-1275D 浪涌要求。图 7 显示,这个电路工作在描述于 MIL-STD-1275D 推荐测试中可经受不那么严格的 100V/50ms 脉冲情况。


图 6:MIL-STD-1275D 100V/500ms 浪涌测试

图 7:MIL-STD-1275D 100V/50ms 浪涌重复 5 次

尖峰

MOSFET M1 处理 +250V 尖峰情况,该 MOSFET 规定从漏极到源极承受超过 300V 的电压。MIL-STD-1275D 规定,输入能量限制到 15mJ,完全处于这个 MOSFET 能力范围之内。图 8 显示,输入端的 +250V 尖峰与输出之间隔离了。


图 8:正的输入尖峰

类似地,-250V 尖峰测试结果如图 9 所示。在这种情况下,二极管 D1 在 -250V 尖峰时反向偏置,隔离了来自 M2 的尖峰和输出。D1 也提供反向极性保护,从而防止负输入电压出现在输出端。(D1 前面的 LTC4366 浪涌抑制器无需额外保护,就能承受反向电压和 -250V 尖峰。)


图 9:负输入尖峰

可选双向瞬态电压抑制器 (TVS) 放置在输入端以提供额外保护。其 150V 击穿电压不影响电路在低于 100V 时工作。对于输入端不想要 TVS 的应用而言,这种可选组件可以去除。请注意,在图 8 和 9 中,输出电压曲线 (VOUT) 显示,在 MIL-STD-1275D 尖峰期间有高频振铃,这是当所有电阻和电感都最大限度减小、0.1µF 测试电容器直接在电路输入端放电时,在电源和地走线中流动的大电流产生之测量干扰。

纹波

若要满足 MIL-STD-1275D 纹波规格要求,需要更多的组件。二极管 D1 与电容器 C1 - C12 构成一个 AC 整流器。整流后的信号出现在 DRAIN2 节点。

LT4363 与检测电阻器 RSENSE 相结合,将最大电流限制到 5A (典型值)。如果输入纹波波形的上升沿试图以超过 5A 的电流上拉输出电容器,那么 LT4363 通过下拉 M2 的栅极的瞬间地限制住该电流。

为了快速地恢复栅极电压,用组件 D3 – D4、C13 – C15 构成的小型充电泵补充 LT4363 的内部充电泵,以快速上拉 MOSFET M2 的栅极。即便如此,在这种纹波情况下,可用负载电流必须降至 2.8A。图 10 显示,在纹波测试时仍然给输出供电。


图 10:14VP–P 输入纹波情况

过热保护

最后,过热保护由组件 Q1、Q2、R1 – R4 和热敏电阻器 RTHERM 实现。如果 M2 散热器 (HS3) 的温度超过 105°C,那么 Q2A 就下拉 LT3463 的 UV 引脚,强制 MOSFET M2 断开,限制其最高温度。

应该提到的是,如果采用这些规定的组件,那么在启动模式初次啮合浪涌时,该电路仅保证工作至 8V 最低电压,而不是 MIL-STD-1275D 规定的 6V 最低电压。

一般情况下,EMI 滤波器放置在 MIL-STD-1275D 兼容系统的输入端,而浪涌抑制器并未消除对滤波的需求,它们的线性模式工作未引入额外噪声。

结论

凌力尔特的浪涌抑制器产品用 MOSFET 隔离高压输入浪涌和尖峰,简化了 MIL-STD-1275D 兼容问题,同时为下游电路提供不间断的供电。用串联组件隔离电压可避免损坏和保险丝熔化,当电路试图用笨重的无源组件将很多能量分流到地时,会出现这类问题。此外,本文已显示,即使最大瞬态功耗 (例如在高压浪涌) 超过单个 MOSFET 所能应对的范围,可用多个串联 MOSFET 支持更大的功率。



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