【導(dǎo)讀】在機載產(chǎn)品中，為了滿足國軍標(biāo)GJB181-86對用電設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)的解決方案。
過壓與欠壓保護電路
過、欠壓保護電路的作用是，當(dāng)輸出電壓超過或低于設(shè)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(shè)備的雙重功效。
在以往用分立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(dāng)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(dǎo)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(fù)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(yīng)電壓端，當(dāng)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(fù)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。
UC3903芯片的性能及特點
UC3903系列集成電路可以同時響應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)電壓、感應(yīng)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
管腳定義
VREF精密的2.5V電壓基準(zhǔn)，可作為外部電路的基準(zhǔn)電壓。
WINDOWADJUST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。
SENSE1－4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(yīng)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。
典型應(yīng)用
UC3903用于3路輸出模塊電源過、欠壓保護電路的典型應(yīng)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
輸出電壓保持時間
保持時間的定義
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(shè)備，按照國軍標(biāo)GJB181-86對用電設(shè)備的要求，輸出保持時間有兩個含義。一是指當(dāng)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(yīng)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(dāng)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。
保持時間的計算方法
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(dāng)t0到t1、t2的時間遠小于tk時,則可近似認(rèn)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(yīng)的輸入電壓,則維持時間可用公式表示為
tk=
（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(yīng)的輸入電壓。
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(yīng)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(yīng)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(dāng)設(shè)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(dāng)供電電源低于某一設(shè)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(dāng)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(dǎo)通時，只有電容C2上的電壓加至模塊電源上。當(dāng)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(dǎo)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(dāng)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
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(yīng)用。
