航天器DC-DC变换器的过压保护电路设计

 引言

　　在DC-DC变换器设计时要考虑对用电负载的保护以及因用电负载的失效而对DC-DC变换器的保护。航天器用DC-DC变换器由于其高可靠、不可维修的特殊要求，因此在设计之初就要开展失效模式及影响分析的工作，即考虑组成DC-DC变换器的所有部件、元器件可能发生的各种故障对DC-DC变换器的影响，以及设计中相应的纠正措施，以保证不会造成灾难性的后果。

　　电子线路类负载对电源的稳定性要求一般不超过电源电压的1%，在极端情况下不超过5%，机电类负载对电源的稳定性要求相对较宽。为了保证用电设备的安全及可靠运行，要针对电路中元器件及线路要素的各种失效模式设计过压保护电路。过压失效模式的分析中不考虑无关的双重故障，即认为两个无关电路的不同元器件同时失效为极小概率事件。

　　二次电源过压失效模式分析

　　DC-DC变换器是一个闭环反馈系统，对于不同电路拓扑引起输出过压的故障点不尽相同。例如对于非隔离的Buck变换器，其串联的功率MOSFET管一旦漏源极短路，输入电压会直接串到输出端。又如，采用磁隔离采样加输出二次稳压的多路输出DC-DC变换器，用于二次稳压的三端稳压器输入输出短路，也会导致输出过压。再如对于多路输出的DC-DC变换器，由于交叉调整率差会带来某路输出电压升高。

对于一般单输出隔离式的DC-DC变换器，可能引起输出过压的失效模式见表1。

        一般过压保护电路设计

　　一般输出端过压保护可以采取强制法，即通过过电压钳位和快速断路来实现。如通过在输出端并接齐纳二极管或可控硅实现钳位输出。见图1和图2。

除变压器初次级短路造成输出过压的故障模式可以通过变压器的绝缘设计来克服外，针对表1所列的其余过压失效模式，本文设计了一种基于PWM的输出限压保护电路。

　　基于PWM的输出限压保护电路

　　脉宽调制型DC-DC变换器的输出稳压通过如下方式实现：输出电压采样值和基准电压值比较后产生误差信号Ve和锯齿波进行比较后产生一定占空比的方波驱动信号控制功率MOSFET管的导通，实现闭环反馈稳压输出。因此通过控制PWM误差放大器的输出电平就可以控制输出电压值，该电路就是基于这种原理设计的，电路见图3。电路基本工作原理如下：当DC-DC变换器工作于正常闭环状态时，PWM误差放大器工作在线性放大区，其输出电平取决于输入信号电平和放大器的增益。图3中的三极管V2工作在截至区，图3所示的过压保护电路不影响正常DC-DC变换器的正常闭环特性。当DC-DC变换器工作于开环状态时，误差放大器工作在饱和区。由于误差放大器不是理想运放，因此输出电阻不为零，因此将其简化为一个含内阻的电压源。三极管V2工作在线性放大区，可以将其简化为受控可变电阻，因此图3可以简化为图4所示的等效电路。当输出电压升高后，过压采样信号升高，导致Ib增大，使得V2的Ic增大，由于误差放大器内阻的存在，使误差放大器的输出电压Ve降低，这样就使PWM的方波驱动信号变窄，使输出电压降低，最终稳定在某一个电压值上。

        笔者用Saber-2005仿真软件对这一应用电路进行了仿真分析，仿真电路见图5。该电路是一个12V输出的反激变换器，PWM采用电流型脉宽调制器UC1845。

电源正常输出电压为11.973V，电源输出5ms后，采样环路断开，此时限压保护电路工作，将输出电压限制在13.3V左右，仿真结果见图6。

改变电阻R15的值，可以调整输出电压的限压值。图7是电阻R15阻值与输出限压值的仿真结果曲线。可以看出电阻R15从100Ω变化到1kΩ时，输出限压值从13.445V变化到14.119V。


        结语

　　本文探讨了航天器用DC-DC变换器的各种过压失效模式，并设计了一种基于任何PWM的通用过压保护电路，并给出了仿真结果。