航空和国防应用的电源保护策略

LRU（现场可更换单元）是採用标準的实体及电气介面的模组化子系统。LRU广泛用于军用和民用航空领域，在这类应用环境中，简单的单元替换可简化远端位置的维护工作。每个LRU都必须符合严格的设计规格和标準要求，以确保在恶劣环境中的相容性和可靠性。

　　本文将讨论LRU电源介面，重点讨论在电压尖峰、突波及纹波形式的电源异常情况下，如何保护下行DC/DC转换器和线性稳压器。

　　尖峰、突波和纹波

　　尖峰和突波的定义在不同的标準中略有差异。各国都制订了自己的军用标準，而飞机製造商採用自行标準，RTCA（航空无线电技术委员会）则制订了国际性标準，以在前两者之间设立起衔接的桥梁。表1显示了叁种主要的参考标準并匯总了其瞬态要求。

　　以上只是必须满足的粗略要求，每种规格都包含有详细的性能曲线示意图和测试条件。MIL-STD-1275D标準的发电机模式下的纹波规格给出的是最极端情况，正常工作模式规定为偏离稳态条件±2V。其他的国家级规格还有很多，比如英国政府制订针对军用车辆的DEFSTAN 61-5（第六部份），该标準的要求与MIL-STD-1275D大致相似，不过其针对的是12V和24V系统。

　　系统的设计必须可以承受所规定的最极端状况，但通常情况下的目标是，开发出的电路在达到预先确定的安全停机点之前，能在规定的瞬态变化範围内持续工作。在某些情况下，在有限的LRU机箱内，因为要缩小组件的实体尺寸，不能完全满足规格要求，这就需要在客户和供应商同意的情况下修订规格。

　　这种差异导致很难开发一个满足所有需求的单一解决方案，而且计画不同标準要求也有很多变化，为了满足工作环境要求需要对开发中的LRU做相应调整。因此，设计师要视乎情况不同而採用不同的保护电路。

　　设计挑战

　　电压尖峰往往表现为持续数十微秒的几百伏电压，源自雷击或负载阶跃的感性耦合。目前的对策是在LRU连接器组件中使用一个瞬态电压抑制器，并结合一个π型滤波器与铁氧体磁珠阵列，这种解决方案有效且节省空间。

　　而更具挑战性的是防止电压突波的传播，其由负载突降引起，通常低于100V并持续数十或数百毫秒。当一个负载电路断接导致交流发电机两端的电压短时间内迅速增大、因而採用相同电源的其他负载上的电压也在短时间内迅速增大时，就会产生电压突波传播。解决方案之一是採用由一个串联电感器和高值电解旁路电容器组成的被动网路，配以一个瞬态电压抑制器和熔丝。然而，此类解决方案往往很庞大，而且会出现某些较高电压的传输，因此要求下行组件必须耐受比实际需求更高的输入电压。

　　业界设计人员通常基于使用MOSFET传输元件（pass element）的分离组件来开发主动解决方案，但这通常需要花费大量的测试时间用于最佳化感应、控制迴路及传输电晶体电路。防止MOSFET传输元件过热并使之处于安全工作区内常常被认为是设计中最具挑战性的环节。有时仍需要使用熔丝来保护MOSFET免遭短路故障。但更换熔丝对于民用航空而言会很麻烦，或者会导致重要的军用设备在紧要关头瘫痪。本文推荐的一种解决电压突波问题的方案是，採用LT4356突波抑制器，该元件非常适用于完成抑制突波的任务，后面将详细地介绍其工作塬理。

　　此外，LRU输入电源上的电压纹波可能带来进一步的设计挑战。尤其是，针对军用车辆发电机模式的MIL-STD-1275D规格相当严格（参见表1）。人们採用了各种不同的方法，包括允许保护电路将纹波传递至稳压级或者到电压纹波幅度更加适中的地方，以及在保护电路内部对其进行滤波处理等。在后一种方法中，必须对保护电路实施最佳化，以便有针对性地处理具有不同特性的大电压瞬变与小幅度的缓变纹波。

　　表1：瞬态要求概要。

技术趋势

　　由于成本、空间和重量方面的压力，再加上利用多个低电压、大电流的电源轨来给复杂的FPGA及处理器供电的需求日益成长，导致负载点（POL）电源架构成为发展趋势。

　　在板级设计上，採用大型模组化的螺栓式隔离型稳压器为最终电压轨提供多个输出的做法正逐步让位于分佈式的高效率POL交换式稳压器，例如凌力尔特公司的uModule系列（见图1）。此类稳压器通常由LRU内部的一个隔离式中间电源匯流排来供电，而LRU则依靠飞机或车辆的电源系统馈送28V或更高的直流电压。

　　图1：凌力尔特LTM4601 uModule产品。

　　转向POL电源架构使得有机会将突波保护从中央电源电路板重新分配到LRU内的各个电路板上。较小的负载则可以採用使用专用过压保护IC的小型高效解决方案。

　　LT4356解决方案

　　LT4356突波抑制器保护负载免受高压瞬态和过流故障影响。图2显示了该元件的简化结构图。在正常作业条件下，一个外部N通道MOSFET被驱动至完全导通，并充当一个传输元件。如果输入电压升高，高于FB接脚电阻分压器设定的稳定点，那么该MOSFET就变成一个线性稳压器，允许负载电路经过瞬态事件继续工作。

　　图2：LT4356简化结构图。

　　产生过流时，电流限制迴路控制MOSFET上的栅极电压，以将VCC和SNS接脚之间的检测电压限制到50mV。

　　无论过压还是过流都将启动一个电流源，以给TMR接脚充电。充电电流与输入至输出电压之差有关，这样故障越严重，定时器週期就越短，因而确保MOSFET保持在安全工作区内。当VTMR达到1.25V时，故障接脚拉低，以指示检测到一个故障。如果故障状态持续，那么当VTMR达到1.35V时，MOSFET断开。用2uA电流拉低TMR接脚，以设定冷却週期，直到该接脚达到0.5V的重试门限且MOSFET再次接通为止。

图3a显示了一个具12V输入的典型应用电路，而在图3b中，16V箝位电平保护下行DC-DC转换器免受80V输入突波影响。

　　图3：LT4356应用电路。

　　LT4356可以在4V至80V（最大绝对值为100V）的输入电压範围内工作，还可以拉至比地电位低60V而不会损坏。在需要的地方增加一个小型瞬态电压抑制器，可以针对短暂的高压尖峰提供更高的保护水準。LT4356有叁个版本（参见表2）。

　　表2：LT4356可选版本。

　　LT4356MP（军用级塑封）级产品在-55℃至+125℃的温度範围经过测试并有保证，採用MSOP-10或SO-16封装。所有MP级产品还经过了更严格的筛选、可靠性监视和更严格的製程过程内控制。与凌力尔特的所有产品一样，MP等级的元件也提供了终身担保，而且这种产品可採用无铅型或含锡铅的端子涂层。

　　本文小结

　　就满足军用和飞机设备的可靠性要求而言，在LRU中採用坚固的保护电路是极其必要的。多种标準和规格、设备发展趋势以及转向POL电源架构，这些因素都导致需要小型、高效率、可分佈在LRU内电路板上的保护电路。这类电路传统上是由分离式组件构成的，难以最佳化，而且最佳化要耗费大量时间。LT4356突波抑制器可构成有效的过压、过流保护电路的基础，是凌力尔特提供的断路器和过压保护元件系列的成员之一。