高壓浪涌抑制器通過更換笨重的無源元件來簡化MIL-STD-1275D合規(guī)性

軍用車輛中的電子設備面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)，其中最主要的是使用反常的電源操作。認識到現(xiàn)場發(fā)生的困難電源波動，美國國防部創(chuàng)建了MIL-STD-1275D，以設定由軍用車輛的28V電源供電的電氣系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)上，設計能夠承受MIL-STD-1275D浪涌和相關瞬變的系統(tǒng)需要大型且昂貴的無源元件。凌力爾特的浪涌抑制器產品線非常適合保護系統(tǒng)免受此類浪涌的影響，同時降低成本和解決方案尺寸。

軍用標準-1275D 要求

MIL-STD-1275D定義了各種條件，最重要的是穩(wěn)態(tài)操作，啟動干擾，尖峰，浪涌和紋波的條件。MIL-STD-1275D在三種獨立的“操作模式”中規(guī)定了每種條件的要求：啟動模式，正常運行模式和僅發(fā)電機模式。

在描述尖峰、浪涌、紋波和其他要求的細節(jié)之前，讓我們先看一下操作模式。毫不奇怪，“啟動模式”描述了發(fā)動機啟動時發(fā)生的條件;“正常模式”描述了系統(tǒng)運行而沒有任何故障的條件;“僅發(fā)電機”模式描述了一種特別惡性的情況，即電池已斷開，發(fā)電機直接為電子設備供電。

僅發(fā)電機模式是一個具有挑戰(zhàn)性的情況。通常，盡管發(fā)電機的功率波動，電池仍通過保持相對恒定的電壓來隱藏發(fā)電機的不穩(wěn)定性質。可以預見的是，為僅發(fā)電機模式設置的限制比正常工作模式更差。在大多數(shù)情況下，如果系統(tǒng)在僅發(fā)電機模式下運行，則在正常模式下不會有困難。（一個可能的例外是，與正常工作模式下的500mΩ源阻抗相比，僅發(fā)生器模式在浪涌期間的20mΩ源阻抗可以減輕負擔。

穩(wěn)態(tài)

與任何標準一樣，MIL-STD-1275D詳細規(guī)定了條件和要求。本文的目的是以更易于理解的形式介紹這些要求和建議的解決方案。建議參考MIL-STD-1275D以獲得更精確的定義和要求。

MIL-STD-1275D將穩(wěn)態(tài)定義為“電路值基本保持不變的條件，在所有初始瞬變或波動條件消退后發(fā)生。它還決定了在正常系統(tǒng)運行期間僅發(fā)生固有或自然變化的情況;（即，不會發(fā)生故障，也不會對系統(tǒng)的任何部分進行意外更改）。

更簡單地說，在穩(wěn)態(tài)下，輸入電壓保持相對恒定。

如表1所示，正常工作模式下的穩(wěn)態(tài)輸入電壓范圍為25V至30V。在僅發(fā)電機模式下（電池斷開的情況），穩(wěn)態(tài)電壓范圍稍寬，為23V至33V。

尖 峰

與其引用MIL-STD-1275D中尖峰的定義，不如看一下圖1中的示例。尖峰通常是振蕩的（它振鈴）并在1ms內衰減到穩(wěn)態(tài)電壓。 MIL-STD-1275D指出，這些尖峰發(fā)生在無功負載切換時，并且可能發(fā)生在諸如吹響喇叭，操作艙底泵，啟動和停止發(fā)動機或旋轉轉塔等事件期間。

圖1.MIL-STD-1275D 尖峰。

雖然該描述有助于理解峰值，但實際要求由圖2定義（對于僅發(fā)生器模式）。此外，在5.3.2.3小節(jié)“導入EDUT的電壓尖峰”中，MIL-STD-1275D描述了推薦的測試設置以及所需的上升時間和振蕩頻率。需要注意的一個重要事實是，最大能量限制為15mJ。正常工作模式的尖峰要求與僅發(fā)電機模式類似，不同之處在于，正常工作模式限制不是100ms時的1V，而是40ms時的1V。

圖2.僅發(fā)生器模式下的尖峰包絡。

潮

尖峰是持續(xù)時間小于1ms的瞬態(tài);浪涌是持續(xù)時間更長的瞬態(tài)。圖 3 顯示了僅發(fā)生器模式的限制。請注意，MIL-STD-1275D 中推薦的測試規(guī)定，應在系統(tǒng)輸入端施加 100 個持續(xù)時間為 50ms 的 1V 脈沖，重復時間為 3 秒。有趣的是，圖40所示浪涌條件的包絡更難滿足，因為它在整整500ms內不會恢復到40V。本文中顯示的解決方案同時滿足這兩個條件。再次，對正常運行模式的要求更容易;浪涌包絡看起來很相似，只是它的最大電壓為100V，而不是<>V。讀者應參考實際規(guī)范，了解此處未涵蓋的詳細信息。

圖3.僅發(fā)電機模式浪涌包絡。

脈動

紋波是用于指輸入電壓相對于穩(wěn)態(tài)直流電壓的變化的術語。它可以由50Hz至200kHz的頻率組成。在僅發(fā)生器模式下，紋波大約為直流穩(wěn)態(tài)電壓的±7V。在正常模式下，它略低，在穩(wěn)態(tài)直流電壓附近±2V。MIL-STD-1275D 規(guī)范提供了明確的測試條件，并推薦了一組測試頻率。

啟動模式

除了正常模式和僅發(fā)電機模式外，MIL-STD-1275D還定義了起動模式，該模式描述了由發(fā)動機起動器和起動引起的電壓變化。圖 4 出現(xiàn)在 MIL-STD-1275D 規(guī)范中。它從穩(wěn)態(tài)直流電壓開始，然后在“初始接合浪涌”期間降至6V。在一秒鐘內，它上升到具有16V最小電壓的“起動水平”。它在 30 秒內再次返回到穩(wěn)態(tài)直流電壓。

圖4.開始干擾。

其他要求

MIL-STD-1275D規(guī)定系統(tǒng)承受極性反轉而不會造成傷害。如果跨接電纜向后連接，則在跨接啟動期間可能會發(fā)生這種情況。

MIL-STD-1275D 又引用了另一個標準 MIL-STD-461，涉及電磁兼容性要求，這超出了本文的范圍。

符合 MIL-STD-1275D 標準的浪涌抑制解決方案

凌力爾特的浪涌抑制器產品為符合 MIL-STD-1275D 標準提供了極具吸引力的解決方案。替代設計通常在輸入端使用分流鉗位，這可能導致在持續(xù)過壓條件下?lián)p壞或熔斷保險絲。

LTC4366 和 LT4363 等高電壓浪涌抑制器不是使用笨重的無源元件將高能量電平分流到地，而是在面對輸入電壓尖峰和浪涌時，使用串聯(lián) MOSFET 來限制輸出電壓。在正常工作期間，MOSFET 得到充分增強，以最大限度地降低 MOSFET 中的功耗。當輸入電壓在浪涌或尖峰期間上升時，浪涌抑制器調節(jié)輸出電壓，為負載提供安全、不間斷的電源。電流限制和定時器功能可保護外部 MOSFET 免受更惡劣條件的影響。

激

在 MIL-STD-1275D 中，最壞情況下的 MOSFET 功耗情況發(fā)生在 100V 輸入浪涌期間。圖5所示電路將輸出電壓調節(jié)至44V。因此，電路必須將56V電壓從100V輸入電壓降至44V輸出端。在此MIL-STD-1275D解決方案中，為了增加輸出端的可用功率，使用了兩個串聯(lián)MOSFET。LTC66 將第一個 MOSFET 的源調節(jié)至 4366V，而第二個 MOSFET 的源則由 LT44 調節(jié)至 4363V。這降低了必須在任一MOSFET中耗散的功率。

圖5.4A/28V MIL-STD-1275D 解決方案為 4A 負載提供不間斷電源，同時在 MIL-STD-44D 1275V/100ms 浪涌和 ±500V 尖峰期間將輸出電壓限制為 250V;在 ±2V 紋波期間為 8.7A 負載供電。

圖6和圖7顯示了浪涌測試期間測量的結果。圖6中的示波器波形顯示該電路在前面描述的MIL-STD-100D浪涌要求下工作。圖500顯示了該電路在MIL-STD-1275D推薦測試中描述的不太嚴格的7V/100ms脈沖下工作。

圖6.MIL-STD-1275D 100V/500ms 浪涌測試。

圖7.MIL-STD-1275D 100V/50ms 浪涌重復五次。

穗

+250V尖峰條件由MOSFET M1處理，其從漏極到源極的額定電壓可承受超過300V的電壓。MIL-STD-1275D 規(guī)定輸入能量限制為 15mJ，完全在該 MOSFET 的能力范圍內。圖8顯示，輸入端的+250V尖峰與輸出相阻。

圖8.正輸入尖峰。

同樣，–250V尖峰測試結果如圖9所示。在這種情況下，二極管D1在–250V尖峰期間反向偏置，阻斷了M2和輸出的尖峰。D1還提供反極性保護，防止負輸入電壓出現(xiàn)在輸出端。（D4366 前面的 LTC1 浪涌抑制器能夠承受反向電壓和 –250V 尖峰，而無需額外的保護。

圖9.負輸入尖峰。

輸入端存在可選的雙向瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），以提供額外的保護。其150V擊穿電壓不影響100V以下的電路運行。對于輸入端不需要TVS的應用，可以移除此可選組件。注意，在圖8和圖9中，輸出電壓走線（V外）期間，MIL-STD-1275D尖峰顯示高頻振鈴，這是當一個0.1μF測試電容直接在電路輸入端放電時，所有電阻和電感最小化時，流入電源和接地走線的大電流的測量偽影。

脈動

滿足MIL-STD-1275D的紋波規(guī)格需要更多的組件。二極管D1與電容器C1–C12組合形成交流整流器。此整流信號出現(xiàn)在 DRAIN2 節(jié)點上。

LT4363 與檢測電阻器 R 組合意義將最大電流限制為 5A（典型值）。如果輸入紋波波形的上升沿試圖以超過 5A 的電流上拉輸出電容器，則 LT4363 通過下拉 M2 的柵極來暫時限制電流。

為了快速恢復柵極電壓，由組件 D3–D4、C13–C15 組成的小型充電泵補充了 LT4363 的內部充電泵，以快速上拉 MOSFET M2 的柵極。即便如此，在這種紋波條件下，可用的負載電流必須降低到2.8A。圖10顯示，在紋波測試期間，輸出保持供電狀態(tài)。

圖 10.14P–P輸入紋波條件。

燙的

最后，熱保護由元件Q1、Q2、R1–R4和熱敏電阻R實現(xiàn)熱.如果 M2 散熱器 （HS3） 處的溫度超過 105°C，則 LT4363 的 UV 引腳被 Q2A 下拉，以強制關斷 MOSFET M2 并限制其最高溫度。

應該注意的是，對于指定的元件，該電路只能保證在啟動模式初始接合浪涌期間工作到最低8V，而不是MIL-STD-6D中規(guī)定的最小1275V。

通常，EMI濾波器放置在符合MIL-STD-1275D標準的系統(tǒng)的輸入端，雖然浪涌抑制器不能消除濾波的需要，但其線性模式操作不會引入額外的噪聲。

結論

凌力爾特的浪涌抑制器產品通過使用 MOSFET 阻斷高壓輸入浪涌和尖峰，同時為下游電路提供不間斷電源，簡化了 MIL-STD-1275D 合規(guī)性。用串聯(lián)元件阻斷電壓可以避免保險絲熔斷和損壞，當電路試圖用笨重的無源元件將高能量分流到地時可能發(fā)生的損壞。此外，本文還表明，即使最大瞬態(tài)功耗（例如在高壓浪涌期間）超過單個MOSFET的能力，也可以使用多個串聯(lián)MOSFET來支持更高的功率水平。

審核編輯：郭婷