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航空磁力仪电源保护与监控电路设计

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摘要:文章以LTC4364作为核心器件,实现了航空磁力仪的电源过压、欠压、过流和极性反接的保护电路,并在发生过压或过流情况时,输出故障指示信号。该电路输出的故障指示信号,提醒飞行员测量设备故障,及时返航,减少了设备因电源故障带来的损失。该电路已在航空磁测无人值守系统上应用,减少了损失,提高了工作效率。

关键词:LTC4364-1;保护电路;监控电路;航空磁测系统

1引言

航空磁测就是把高灵敏度的航空磁力仪装载于飞机上(或其他移动平台)用于检测地下矿体和地质体的磁场变化,它具有效率高、成本较低、便于大面积工作(包括地面难以通行的地区,如沙漠、森林、海洋、高山区等)、探测深度较大等优点,是目前应用较多的航空物探方法之一[1][2]。传统的测量飞行中,有专业的空勤仪器操作员跟飞,负责操作和监控设备的状态。航空磁测飞行属于超低空飞行,对操作人员的身体情况有着很高的要求。为减少操作人员上机,必须提高设备的稳定性和可控性,研制航空磁测无人值守系统,尤其是供电系统的保护和监控。目前,传统电源系统保护电路只能实现单一保护[3][4][5],如过流情况多使用保险丝或者单一过流保护电路,保险丝故障后熔断不可恢复;过压情况使用单一过压保护电路等,保护电路元器件较多,集成度不高,且无法实现实时智能化监控。本文以航空磁力仪的电源保护和监控设计为题进行设计。针对传统保护电路的不足,开发了基于LTC4364-1的过压、欠压、过流和极性反接的保护电路,并在发生过压或过流情况时,输出故障指示信号。故障提示信号可以提示飞行员,测量设备的工作状态。出现问题时,及时返航,减少因供电源故障造成的无效测量飞行,提高了工作效率,减少了损失。

2LTC4364参数介绍

LTC4364是凌力尔特公司生产的浪涌抑制器,具有理想二极管控制器,较宽的输入电压范围(4V—80V),可以保护后级负载设备免遭高电压瞬变的破坏,被广泛的应用于汽车/航空电子设备浪涌保护、热插拔/带电插入、冗余电源和输出端口保护等。[6][7][8]LTC4364能够精确地监视电源的过压、欠压状态,内部电压放大器负责调节HGATE引脚的电压,HGATE电压控制一个N沟道的MOSFET处于导通状态并向负载供应电流。另外,该器件还包含了一个定时电流限制电路器可以提供对短路和过大负载电流的保护作用;在过流过程中,调节HGATE的引脚电压以把SENCE和OUT输出引脚两端的检测电压限制在一定数值,通过设定电阻值(实现电流阀值设定),达到过流保护的目的。LTC4364具有一个故障输出信号(FLT),在工作正常状态下,故障输出端处于高阻态;当出现过流或过压故障后,故障输出信号(FLT)将被拉到低电平。通过监控故障输出信号,可以对电源工作状态实时监控。LTC4364有两种型号,一种是LTC4364-1型,另一种是LTC4364-2型;两种型号的区别是:电路产生过压或过流故障后,LTC4364-1将保持外部MOSFET关断状态直到故障超时之后收到外部再启动信号;而LTC4364-2将保持关断外部MOSFET状态直到故障超时,而后在OV引脚电压低于门限值的情况下,可以不断重复打开外部MOSFET直至恢复正常工作。根据实际需要,电源故障后,系统切断电源,故障解除后启动电源,需重新配置系统,本文电路设计选择LTC4364-1。

3保护电路设计

3.1基于LTC4364-1保护电路

目前,航空磁测系统的核心设备航空磁力仪多使用加拿大生产铯光泵磁力仪(CS-3\CS-VL)和国产氦光泵磁力仪(HC2000),这两种航空光泵磁力仪供电范围都在(24V~35VDC)。为了确保航空磁力仪工作稳定可靠不受飞机电源瞬变高电压造成过压损坏,同时避免短路造成的设备过流损坏。笔者基于LTC4364-1设计过流、过压、欠压以及极性反接等故障保护电路(如图1)。

3.2输入电压欠压、过压保护电路参数配置

LTC4364-1浪涌抑制器内置输入欠压、过压比较器,可以精确地监视输入电源的过压(OV)和欠压(UV)情况。输入电压通过图1中R1、R2和R3组成的电压分压网络,由OV和UV引脚输入到片内过压、欠压比较器。LTC4364-1浪涌抑制器欠压和过压比较器均以1.25V为基准。将输入电压范围设为24VDC~39VDC,实现输入电压初步控制。当电压低于24V时,外部M1保持关断状态;当电压高于39V时,HGATE引脚故障后被锁定在低电平,外部M1关断。根据航空磁力仪供电范围在(24V~35VDC),设计输出电压控制在33VDC以内,可以很好的保护好设备。LTC4364-1浪涌抑制器具有输出电压钳位的功能,输出电压经过分压网络R6和R7分压后由反馈至FB引脚稳压器反馈输入端,通过内置的一个电压比较器形成输出控制逻辑。该电压比较器的输出基准电压是1.25V。如果FB引脚输入的反馈电压高于基准电压,HGATE引脚电压下拉至SOURCE引脚,从而关断M1,避免了输出电压超过设定电压。

3.4过流保护电路参数配置

LTC4364-1浪涌抑制器具有一个可调的电流限制,可提供针对短路和过大负载电流的电流保护作用。在过流期间,当OUT输出电压高于2.5V时,调节HGATE引脚电压来把SENCE和OUT引脚两端的电流检测电压(ΔVSNS)限制在50mV;当OUT输出电压小于2.5V时,电流检测电压被降至25mV,以在输出短路期间提供额外的保护。

3.5选择故障定时器配置

LTC4364-1浪涌抑制器具有一个可调的故障定时器,通过连接在TMR引脚和地之间的一个电容器(CTMR),实现欠压、过压和过流故障下M1被关断之前的延迟时间TWARNING的设定。一旦电路检测到故障情况,一个电流源就将低于故障定时器(TMR)引脚进行充电,当TMR引脚上的电压达到1.25V时,FLT引脚被拉至低电平,以表示检测到某种故障情况,并且提供“即将掉电”的警告。当TMR引脚上的电压大于1.35V时,M1关断。

3.6传输器件M1的选择

LTC4364-1控制一个功率管N沟道MOSFETM1传输器件两端的电压降,进行调节和限制输出。在正常工作情况下,M1完全导通,功率耗散很小,但是在过压和过流故障期间,功耗较大。选取M1的参数如下:最大漏极—源极电压(VDS)、导通电阻(RDS)和门限电压(VGS)和安全工作区(SOA)。选取的原则是:最大漏极-源极额定值必须高于输入电压。本设计根据工作情况,选择型号为:FDB3862的N沟道MOSFET器件,相关参数为:VGS=10V,VDS=100V,RDS=36mΩ。另外,在M1的栅极和源极之间布设了一个15V的齐纳二极管(DDZ9702),提供额外的保护功能。

4监控电路设计

当系统供电产生过压故障,短路或过大负载电流的过流故障时,设计的电路能够切断电路保护后级用电设备,同时输出故障信号。LTC4364-1在发生过压和过流故障时候都会关断M1,同时将FLT引脚拉至低电平,(注意,在欠压时,不对FLT引脚进行操作)。FLT引脚在正常工作状态下输出为高阻态,发生故障时被拉低。根据这个特性,设计图2信号转换电路,通过74HC244三态缓冲器,保护输出FLT信号,设置上拉电阻,得到输出信号SAT。笔者设计的信号转电路,可以同时完成进行8路信号转换,从而可以实现8路信号的实时监控。SAT0-8的输出信号可以直接接入到主处理器上,通过液晶显示器输出监控的结果,实现航磁测量系统电源的智能控制。

5电路测试与验证

笔者按照原理设计制作出保护电路和实时监控电路。并对其进行了详细测试,输出端接入一个滑动变阻器(阻值20欧,功率1500瓦)。测试设备使用安捷伦4通道示波器(输出信号对照表1)、汉泰CG65示波器电流探头和迈胜直流可调电源(0~50VDC,20A)。测试目的、步骤以及结果详见表2。通过详细测试,当电路输入电压范围在24V~33V时,电路正常供电,输入电压低于24V启动欠压保护模式,输入电压超过33V,启动过压保护模式,有效的避免了电压异常时候给后级设备带来的损坏。

6结束语

笔者基于LTC4364器件,设计制作了保护和监控电路,实现了欠压、过压、过流和极性反接保护,输入电压控制在24V到33V之间,有效的保护了航空磁力仪。同时在过流和过压的故障情况发生时,输出监控信号,通过实时查询监控信号,可以对故障实时监控。该电路模块已经在航磁测量无人值守系统中应用,达到了很好保护效果。另外,可以通过优化PCB板的设计,可以实现电流电压的精确控制保护。

参考文献:

[2]高维,舒晴,屈进红,米耀辉.国外航空物探测量系统近年来的若干进展[J],物探与化探,2016,40(6),1116-1124.

[3]袁旭猛,郭晓义.一种新型无人机机载电源浪涌保护器的设计[J],计算机测量与控制,2011,19(6),1487-1488,1501.

[4]史凌峰,王根荣,来新泉,丁睿.新型过压保护电路设计[J],电子科技大学学报,2011,40(2),210-213

[5]王小龙,陈畅,龚敏.一种新型过流保护电路设计,电子与封装[J],2010,10(7),16-19

[7]曾凡东.机载电子设备直流电源输入端保护电路设计[J].电讯技术.2016,56(7):820-825

[8]李坤贺,卢峥,李廷凯,王亨勇.基于LTC4364-2的热插拔保护电路[J].兵团自动化.2016,35(4):72-84

作者:李学砚;邓肖丹;李建生;段树岭 单位:中国国土资源航空物探遥感中心

航空磁力仪电源保护与监控电路设计责任编辑:张雨    阅读:人次