航空磁力儀電源保護(hù)與監(jiān)控電路設(shè)計(jì)范文

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摘要：文章以LTC4364作為核心器件，實(shí)現(xiàn)了航空磁力儀的電源過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和極性反接的保護(hù)電路，并在發(fā)生過(guò)壓或過(guò)流情況時(shí)，輸出故障指示信號(hào)。該電路輸出的故障指示信號(hào)，提醒飛行員測(cè)量設(shè)備故障，及時(shí)返航，減少了設(shè)備因電源故障帶來(lái)的損失。該電路已在航空磁測(cè)無(wú)人值守系統(tǒng)上應(yīng)用，減少了損失，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：LTC4364-1；保護(hù)電路；監(jiān)控電路；航空磁測(cè)系統(tǒng)

1引言

航空磁測(cè)就是把高靈敏度的航空磁力儀裝載于飛機(jī)上（或其他移動(dòng)平臺(tái)）用于檢測(cè)地下礦體和地質(zhì)體的磁場(chǎng)變化，它具有效率高、成本較低、便于大面積工作（包括地面難以通行的地區(qū)，如沙漠、森林、海洋、高山區(qū)等）、探測(cè)深度較大等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較多的航空物探方法之一[1][2]。傳統(tǒng)的測(cè)量飛行中，有專業(yè)的空勤儀器操作員跟飛，負(fù)責(zé)操作和監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)。航空磁測(cè)飛行屬于超低空飛行，對(duì)操作人員的身體情況有著很高的要求。為減少操作人員上機(jī)，必須提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可控性，研制航空磁測(cè)無(wú)人值守系統(tǒng)，尤其是供電系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控。目前，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)保護(hù)電路只能實(shí)現(xiàn)單一保護(hù)[3][4][5]，如過(guò)流情況多使用保險(xiǎn)絲或者單一過(guò)流保護(hù)電路，保險(xiǎn)絲故障后熔斷不可恢復(fù)；過(guò)壓情況使用單一過(guò)壓保護(hù)電路等，保護(hù)電路元器件較多，集成度不高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控。本文以航空磁力儀的電源保護(hù)和監(jiān)控設(shè)計(jì)為題進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)電路的不足，開(kāi)發(fā)了基于LTC4364-1的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和極性反接的保護(hù)電路，并在發(fā)生過(guò)壓或過(guò)流情況時(shí)，輸出故障指示信號(hào)。故障提示信號(hào)可以提示飛行員，測(cè)量設(shè)備的工作狀態(tài)。出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，及時(shí)返航，減少因供電源故障造成的無(wú)效測(cè)量飛行，提高了工作效率，減少了損失。

2LTC4364參數(shù)介紹

LTC4364是凌力爾特公司生產(chǎn)的浪涌抑制器，具有理想二極管控制器，較寬的輸入電壓范圍(4V—80V)，可以保護(hù)后級(jí)負(fù)載設(shè)備免遭高電壓瞬變的破壞，被廣泛的應(yīng)用于汽車/航空電子設(shè)備浪涌保護(hù)、熱插拔/帶電插入、冗余電源和輸出端口保護(hù)等。[6][7][8]LTC4364能夠精確地監(jiān)視電源的過(guò)壓、欠壓狀態(tài)，內(nèi)部電壓放大器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)HGATE引腳的電壓，HGATE電壓控制一個(gè)N溝道的MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)并向負(fù)載供應(yīng)電流。另外，該器件還包含了一個(gè)定時(shí)電流限制電路器可以提供對(duì)短路和過(guò)大負(fù)載電流的保護(hù)作用；在過(guò)流過(guò)程中，調(diào)節(jié)HGATE的引腳電壓以把SENCE和OUT輸出引腳兩端的檢測(cè)電壓限制在一定數(shù)值，通過(guò)設(shè)定電阻值（實(shí)現(xiàn)電流閥值設(shè)定），達(dá)到過(guò)流保護(hù)的目的。LTC4364具有一個(gè)故障輸出信號(hào)(FLT)，在工作正常狀態(tài)下，故障輸出端處于高阻態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓故障后，故障輸出信號(hào)(FLT)將被拉到低電平。通過(guò)監(jiān)控故障輸出信號(hào)，可以對(duì)電源工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。LTC4364有兩種型號(hào)，一種是LTC4364-1型，另一種是LTC4364-2型；兩種型號(hào)的區(qū)別是：電路產(chǎn)生過(guò)壓或過(guò)流故障后，LTC4364-1將保持外部MOSFET關(guān)斷狀態(tài)直到故障超時(shí)之后收到外部再啟動(dòng)信號(hào)；而LTC4364-2將保持關(guān)斷外部MOSFET狀態(tài)直到故障超時(shí)，而后在OV引腳電壓低于門限值的情況下，可以不斷重復(fù)打開(kāi)外部MOSFET直至恢復(fù)正常工作。根據(jù)實(shí)際需要，電源故障后，系統(tǒng)切斷電源，故障解除后啟動(dòng)電源，需重新配置系統(tǒng)，本文電路設(shè)計(jì)選擇LTC4364-1。

3保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1基于LTC4364-1保護(hù)電路

目前，航空磁測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備航空磁力儀多使用加拿大生產(chǎn)銫光泵磁力儀（CS-3\CS-VL）和國(guó)產(chǎn)氦光泵磁力儀（HC2000），這兩種航空光泵磁力儀供電范圍都在（24V～35VDC）。為了確保航空磁力儀工作穩(wěn)定可靠不受飛機(jī)電源瞬變高電壓造成過(guò)壓損壞，同時(shí)避免短路造成的設(shè)備過(guò)流損壞。筆者基于LTC4364-1設(shè)計(jì)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓以及極性反接等故障保護(hù)電路（如圖1）。

3.2輸入電壓欠壓、過(guò)壓保護(hù)電路參數(shù)配置

LTC4364-1浪涌抑制器內(nèi)置輸入欠壓、過(guò)壓比較器，可以精確地監(jiān)視輸入電源的過(guò)壓（OV）和欠壓（UV）情況。輸入電壓通過(guò)圖1中R1、R2和R3組成的電壓分壓網(wǎng)絡(luò)，由OV和UV引腳輸入到片內(nèi)過(guò)壓、欠壓比較器。LTC4364-1浪涌抑制器欠壓和過(guò)壓比較器均以1.25V為基準(zhǔn)。將輸入電壓范圍設(shè)為24VDC～39VDC，實(shí)現(xiàn)輸入電壓初步控制。當(dāng)電壓低于24V時(shí)，外部M1保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)電壓高于39V時(shí)，HGATE引腳故障后被鎖定在低電平，外部M1關(guān)斷。根據(jù)航空磁力儀供電范圍在(24V～35VDC)，設(shè)計(jì)輸出電壓控制在33VDC以內(nèi)，可以很好的保護(hù)好設(shè)備。LTC4364-1浪涌抑制器具有輸出電壓鉗位的功能，輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)R6和R7分壓后由反饋至FB引腳穩(wěn)壓器反饋輸入端，通過(guò)內(nèi)置的一個(gè)電壓比較器形成輸出控制邏輯。該電壓比較器的輸出基準(zhǔn)電壓是1.25V。如果FB引腳輸入的反饋電壓高于基準(zhǔn)電壓，HGATE引腳電壓下拉至SOURCE引腳，從而關(guān)斷M1，避免了輸出電壓超過(guò)設(shè)定電壓。

3.4過(guò)流保護(hù)電路參數(shù)配置

LTC4364-1浪涌抑制器具有一個(gè)可調(diào)的電流限制，可提供針對(duì)短路和過(guò)大負(fù)載電流的電流保護(hù)作用。在過(guò)流期間，當(dāng)OUT輸出電壓高于2.5V時(shí)，調(diào)節(jié)HGATE引腳電壓來(lái)把SENCE和OUT引腳兩端的電流檢測(cè)電壓（ΔVSNS）限制在50mV；當(dāng)OUT輸出電壓小于2.5V時(shí)，電流檢測(cè)電壓被降至25mV，以在輸出短路期間提供額外的保護(hù)。

3.5選擇故障定時(shí)器配置

LTC4364-1浪涌抑制器具有一個(gè)可調(diào)的故障定時(shí)器，通過(guò)連接在TMR引腳和地之間的一個(gè)電容器(CTMR)，實(shí)現(xiàn)欠壓、過(guò)壓和過(guò)流故障下M1被關(guān)斷之前的延遲時(shí)間TWARNING的設(shè)定。一旦電路檢測(cè)到故障情況，一個(gè)電流源就將低于故障定時(shí)器(TMR)引腳進(jìn)行充電，當(dāng)TMR引腳上的電壓達(dá)到1.25V時(shí)，F(xiàn)LT引腳被拉至低電平，以表示檢測(cè)到某種故障情況，并且提供“即將掉電”的警告。當(dāng)TMR引腳上的電壓大于1.35V時(shí)，M1關(guān)斷。

3.6傳輸器件M1的選擇

LTC4364-1控制一個(gè)功率管N溝道MOSFETM1傳輸器件兩端的電壓降，進(jìn)行調(diào)節(jié)和限制輸出。在正常工作情況下，M1完全導(dǎo)通，功率耗散很小，但是在過(guò)壓和過(guò)流故障期間，功耗較大。選取M1的參數(shù)如下：最大漏極—源極電壓(VDS)、導(dǎo)通電阻(RDS)和門限電壓(VGS)和安全工作區(qū)(SOA)。選取的原則是：最大漏極-源極額定值必須高于輸入電壓。本設(shè)計(jì)根據(jù)工作情況，選擇型號(hào)為：FDB3862的N溝道MOSFET器件，相關(guān)參數(shù)為：VGS=10V，VDS=100V，RDS=36mΩ。另外，在M1的柵極和源極之間布設(shè)了一個(gè)15V的齊納二極管(DDZ9702)，提供額外的保護(hù)功能。

4監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)供電產(chǎn)生過(guò)壓故障，短路或過(guò)大負(fù)載電流的過(guò)流故障時(shí)，設(shè)計(jì)的電路能夠切斷電路保護(hù)后級(jí)用電設(shè)備，同時(shí)輸出故障信號(hào)。LTC4364-1在發(fā)生過(guò)壓和過(guò)流故障時(shí)候都會(huì)關(guān)斷M1，同時(shí)將FLT引腳拉至低電平，（注意，在欠壓時(shí)，不對(duì)FLT引腳進(jìn)行操作）。FLT引腳在正常工作狀態(tài)下輸出為高阻態(tài)，發(fā)生故障時(shí)被拉低。根據(jù)這個(gè)特性，設(shè)計(jì)圖2信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)74HC244三態(tài)緩沖器，保護(hù)輸出FLT信號(hào)，設(shè)置上拉電阻，得到輸出信號(hào)SAT。筆者設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)電路，可以同時(shí)完成進(jìn)行8路信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而可以實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。SAT0-8的輸出信號(hào)可以直接接入到主處理器上，通過(guò)液晶顯示器輸出監(jiān)控的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)航磁測(cè)量系統(tǒng)電源的智能控制。

5電路測(cè)試與驗(yàn)證

筆者按照原理設(shè)計(jì)制作出保護(hù)電路和實(shí)時(shí)監(jiān)控電路。并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，輸出端接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器(阻值20歐，功率1500瓦)。測(cè)試設(shè)備使用安捷倫4通道示波器(輸出信號(hào)對(duì)照表1)、漢泰CG65示波器電流探頭和邁勝直流可調(diào)電源(0～50VDC，20A)。測(cè)試目的、步驟以及結(jié)果詳見(jiàn)表2。通過(guò)詳細(xì)測(cè)試，當(dāng)電路輸入電壓范圍在24V～33V時(shí)，電路正常供電，輸入電壓低于24V啟動(dòng)欠壓保護(hù)模式，輸入電壓超過(guò)33V，啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)模式，有效的避免了電壓異常時(shí)候給后級(jí)設(shè)備帶來(lái)的損壞。

6結(jié)束語(yǔ)

筆者基于LTC4364器件，設(shè)計(jì)制作了保護(hù)和監(jiān)控電路，實(shí)現(xiàn)了欠壓、過(guò)壓、過(guò)流和極性反接保護(hù)，輸入電壓控制在24V到33V之間，有效的保護(hù)了航空磁力儀。同時(shí)在過(guò)流和過(guò)壓的故障情況發(fā)生時(shí)，輸出監(jiān)控信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)查詢監(jiān)控信號(hào)，可以對(duì)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控。該電路模塊已經(jīng)在航磁測(cè)量無(wú)人值守系統(tǒng)中應(yīng)用，達(dá)到了很好保護(hù)效果。另外，可以通過(guò)優(yōu)化PCB板的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)電流電壓的精確控制保護(hù)。

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作者：李學(xué)硯；鄧肖丹；李建生；段樹(shù)嶺 單位：中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心