航空和国防应用的电源保护

凌力尔特向国防工业供应高性能模拟集成电路已经近 30 年了，一直奉献各种资源来支持该市场的专门需求。凌力尔特提供包括工业、汽车和军用温度范围在内的多种产品级别以及业界领先的质量和 0.1 FIT 级的“同类最佳”可靠性。

引言
    LRU (现场可更换单元) 是模块化子系统，采用同样的标准物理及电气接口。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偏僻位置的维护工作。每个 LRU 都必须设计为符合严格的规范和标准要求，以确保兼容性并在严酷的环境中可靠工作。

    本文将讨论 LRU 电源接口，尤其要讨论的是，在电压尖峰、浪涌及纹波形式电源异常情况下，与防止下游 DC/DC 转换器和线性稳压器损坏有关的要求。

尖峰、浪涌和纹波
    尖峰和浪涌的定义在不同的标准中略有差异。各国都制定了自己国家的政府军用标准，同时飞机制造商则引用自己的规范，而 RTCA (航空无线电技术委员会) 制定了国际性的标准，以在前两者之间建立起衔接的桥梁。表 1 罗列了其中三种主要的参考标准并汇总了其瞬态要求。

    表 1：瞬态要求概要
    瞬态要求的参考

 *  每个尖峰的最大能量为 15mJ

因可用空间的限制，以上只是必须满足的“笼统”条件；每种规范都包含有详细的性能曲线示意图和测试条件。MIL-STD-1275D标准的“仅发生器模式”的纹波规格给出的是最坏情况示例，正常工作模式规定为偏离稳态条件±2V。其他的国家级规范还有很多，比如英国政府制定针对军用车辆的 DEFSTAN 61-5 (第六部分)，该标准的要求与MIL-STD-1275D具有广泛的相似性，不过其针对的是 12V 和 24V 系统。

    系统必须设计为能承受所规定最坏情况下的条件而不被损坏，但通常情况下的目标是，开发一个在达到预先确定的安全停机点之前，能在规定的瞬态变化范围内持续工作的电路。在有些情况下，因为需要缩小组件的物理尺寸，所以在所允许的 LRU 机箱内，不可能完全满足规范要求，这就需要在客户和供应商同意的情况下修订规范。

    这种多样性导致很难开发一个满足所有需求的单一解决方案，而且项目不同，标准要求也有很多变化，需要调整以满足工作环境对正在开发 LRU 的要求。结果，设计师往往采用就事论事的方法，不同情况采用不同的保护电路。

挑战
    我们先来说说电压尖峰，此类瞬变往往表现为持续数十 μs 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配置，这种解决方案有效且节省空间。

    一个更具挑战性的领域是，防止由负载突降引起的、典型值低于 100V、持续数十或数百毫秒的电压浪涌的传播。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、从而采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，就会发生浪涌电压传播。有一种解决方案是采用由一个串联电感器和高值电解旁路电容器组成的无源网络，再配之以一个瞬态电压抑制器和熔丝。此类解决方案往往庞大笨重，而且仍然会传导某些较高的电压，因此要求下游组件必须耐受较高的输入电压。

    在业内，设计人员的做法是采用一个 MOSFET 传输元件来开发基于分立组件的有源解决方案，但这通常需要花费大量的测试时间用于优化检测、控制环路及传输晶体管电路。防止 MOSFET 传输元件发生过热并使之处于其安全工作区之内常常被引述为设计中最具挑战性的环节。有时，依然需要使用熔丝来保护 MOSFET 免遭短路故障情况的损坏。不用说，更换烧断的熔丝对于民用航空而言可能会带来不希望的后勤混乱，另外还有可能导致重要的军用设备在至关紧要的操作中短暂瘫痪。一种解决电压浪涌问题的方案是，采用 LT4356 浪涌抑制器 IC，该器件非常适用于完成抑制浪涌的任务，本文后面将更详细地介绍其工作原理。

    最后，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，针对发生器模式军用车辆的 MIL-STD-1275D 规范相当严格 (参见表 1)。人们采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电压纹波的幅度更加适中的地方，以及在保护电路自身的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优化，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。

趋势
    由于在成本、空间和重量方面承受着压力，再加上人们越来越多地需要利用多个低电压、大电流的电源轨来给复杂的 FPGA 及处理器供电，因而导致负载点 (POL) 电源架构成为发展趋势。

    采用具有多个输出的完全不同、大型、模块化、螺栓安装式隔离型稳压器在电路板级上提供最终电压轨的做法正逐步让位于分布式和高效率的 POL 开关稳压器，例如：凌力尔特公司的µModule® 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总线来供电，而 LRU 则依靠飞机或车辆的电源系统馈送 28V 或更高的 DC 电压。

 
图 1：凌力尔特微型模块系列的一员

转向 POL 电源架构的一个结果是，有机会将浪涌保护从中央电源电路板重新分配到 LRU 内的各个电路板上。较小的负载允许使用具专用过压保护 IC 的小型、高效率解决方案。

LT4356 解决方案
    LT4356 浪涌抑制器保护负载免受高压瞬态和过流故障影响。图 2 显示了该器件的简化内部方框图。在正常操作条件下，一个外部 N 沟道 MOSFET 被驱动至完全导通，并充当一个传输器件。如果输入电压升高，高于 FB 引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 的简化方框图

在发生过流事件时，电流限制环路控制 MOSFET 上的栅极电压，以将 V_CC 和 SNS 引脚之间的检测电压限制到 50mV。

    无论过压还是过流事件都将启动一个电流源，以给 TMR 引脚充电。充电电流与输入至输出电压之差有关，这样故障越严重，定时器周期就越短，从而确保 MOSFET 保持在安全工作区内。当 V_TMR 达到 1.25V 时，故障引脚拉低，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 2µA 电流拉低 TMR 引脚，以设定冷却周期，直到该引脚达到 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 箝位电平保护下游 DC-DC 转换器免受 80V 输入浪涌影响。

 
图 3：LT4356 应用电路

LT4356 可以在 4V 至 80V (绝对最大值为 100V) 的输入电压范围内工作，还可以拉至比地电位低多达 60V 而不会损坏。在需要的情况下，增加一个小型瞬态电压抑制器，可以针对短的高压尖峰提供更高的保护水平。LT4356 有三种版本可用 (参见表 2)，详细的应用电路例子在以下网址提供的数据表中提供：www.linear.com.cn。

表 2：LT4356 可选版本
   

LT4356MP (军用级塑封) 级产品在 -55°C 至 +125°C 的温度范围经过测试并有保证，采用 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工艺过程内控制。与凌力尔特的所有产品一样，我们对 MP 级别的器件也提供了终身担保，而且这种产品可采用无铅型或含锡铅的端子涂层。

结论
    就满足军用和飞机设备的可靠性要求而言，在 LRU 中采用坚固的保护电路是极其必要的。多种标准和规范、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、可分布在 LRU 内电路板上的保护电路。这类电路传统上是由分立式组件构成的，难以优化，而且优化要耗费大量时间。LT4356 浪涌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器件系列的成员之一。