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一种高侧电流检测电路的仿真与验证

2022-04-27何双亮周革强仇庆东

载人航天 2022年2期
关键词:过流时限延时

李 鹏, 何双亮, 周革强*, 仇庆东, 陈 华

(1.中国航天员科研训练中心, 北京 100094; 2.中航工业沈阳兴华航空电器有限责任公司, 沈阳 110144)

1 引言

过流会引起危及电子系统安全的故障,常见的过流保护器中,电流检测方式从热方式和电磁方式发展到了电子方式。 专业的集成化芯片技术使得过流保护器精度更高,功能更加丰富。热方式过流保护器利用电流流过保护装置中发热元件所产生的热量变化作为检测方式,完成电能⁃热能的转换,主要提供延时保护,由于具有热敏感性,不适用于温差较大的环境,延时时间和过流保护点精度相对较差,保护方式单一;电磁方式过流保护器利用电流流过保护装置中线圈时产生磁力变化作为检测方式,完成电能-磁能的转换,主要提供瞬时速断保护,灵敏度高,动作点相对精确,保护方式单一;电子过流保护器使用电子元件构成的电路进行电流检测,智能识别电路中的电流状态,实现反时限、定时限、瞬时速断保护等过流保护功能,灵敏度高,动作点精确。

航天设备过流保护应优先采用可恢复式过流保护方法,并具有多种保护曲线,满足电子系统保护需求,提高航天设备的可靠性。 大功率配电线路保护常采用基于固态供电控制的可恢复式过流保护技术;小功率设备常采用熔断器等过流保护方式进行被动保护,保护曲线单一且无法恢复,可靠性低。 因此需要针对小功率设备的过流问题进行可恢复式过流保护方法研究,提高小功率航天设备的可靠性。

本文基于高侧电流检测技术,设计一种可恢复式过流保护器的过流检测电路,对反时限、定时限和瞬时速断过流保护曲线进行仿真分析,对该电路进行性能测试验证,并对多级保护策略进行了讨论。

2 系统设计

2.1 基本要求

过流检测电路应满足如下要求:

1)具有选择性和灵敏性。 当电子系统中出现过流时,必须准确快速响应,准确识别负载或后端线路工作电流的波动对系统安全的影响,提高电路系统的可靠性。

2)具备过载电流和短路(故障)电流检测功能。 过载电流相对较小,延时长,可采用反时限长延时或定时限短延时保护;短路(故障)电流大,时间短,需采用定时或瞬时速断保护,对电流检测电路的灵敏性要求极高。

小功率过流保护器的过流检测电路除了满足以上要求外,还应具有如下特点:①参数便于调整。 由于后端接入的负载存在多样性,其整定电流值和保护曲线可根据实际情况调整,以满足电路系统的可靠性要求。 ②结构简单。 在不增加系统复杂性的前提下,过流检测电路采用硬件实现,避免引入软件算法,增加系统的复杂性。

2.2 方案设计

测量电流的最常用方法是检测串联在供电电路的电阻压降,该方法比较简单,易于实现而且成本较低,这种方法可以提供极高的线性度,无需校准。 当电流流过采样电阻时,存在功率损耗,因此采样电阻值必须尽可能小,以降低能量消耗。 选择较小的采样电阻,相应的检测电压也会减小,增加检测难度。

测量电流时,通常会采用高侧(采样电阻放置在电源正输出端与后端负载之间)电流或者低侧(采样电阻放在后端负载和电源负输出端之间)电流检测方法。 这2 种方法优缺点在于:高侧电流测量方法必须承受高压共模信号,但能够检测经过后端负载的全部电流;低侧电流测量方法能够抗高压尖峰干扰,只需承受低压共模信号,但在复杂的电路系统中存在多个电源回路(接地点)时,流经采样电阻的电流不完整。

随着高侧电流检测方法的发展,专用采样高侧电流检测芯片越来越成熟,高侧电流检测已成为趋势。 目前过流保护装置常用LSI(Long⁃Short⁃Instant)三段式保护曲线,电子系统中各种工作状态的电流曲线如图1 所示。 参照国家标准GB/T14048.2-2020 《低压开关设备和控制设备第2 部分:断路器》,过流检测电路设置相应的特征参数,如表1 所示。

图1 电子系统电流曲线示意图[12]Fig.1 Diagram of electron system current curves [12]

表1 过流保护电路系统特征参数Table 1 Characteristic parameters of overcurrent protection

如图1 所示,长延时采用反时限方案,短延时采用定时限方案,瞬时速断的时间是由电路响应时间和开关动作时间决定的固有时间。

3 电路设计

本文过流检测电路所有算法均由硬件逻辑电路实现,复杂度低,可靠性高,可以精确模拟电流保护曲线。 过流检测电路分为3 部分:电流检测电路、判决电路和过流保护信号输出电路。

3.1 电流检测电路

如图2 所示,U为高侧专用电流测量专用芯片,可在较高的共模电压下检测电流。 该芯片可将一个较小的差分输入电压转换为较小的电流输出,通过外部增益电阻放大后,转换为可以识别的电压信号。

图2 高侧电流检测电路图Fig.2 Diagram of high⁃side current detection circuit

图2 中为采样电阻,是模拟供电电路的后端的负载设备。 根据芯片手册,输出电压可表示为式(1):

式中,为电路检测芯片内部增益系数,外部增益可通过调节。 当和确定后,输出电压与被测电流成固定比例,因此式(1)可改写为式(2):

式中,为常数,=××。

3.2 判决电路

图1 中过流保护曲线包含3 种基本保护措施,即反时限长延时保护、定时限短延时保护和瞬时速断保护,采用电压比较器对保护电流点进行判决,判断当前电路系统的工作状态,如图3所示。

3.2.1 长延时保护

如图3 所示,电容的供电电压′随的变化而变化,电压可表示为式(3):

图3 长延时保护电路框图Fig.3 Block diagram of long delay protection circuit

式中,′为电容的初始电压值,为长延时保护时间,为时间常数,=×。

从式(3)可以看出,延时时间与被测电流反向变化,即被测电流值越大,电容的电压升至时间越短,实现了反时限延时算法。

当被测电流超过长延时电流保护值时,即≥,经过长延时判决电路判断后,启动长延时保护,电容开始充电。

当被测电流持续时间超过长延时时间,即电容的电压≥时,输出过流保护信号;当在延时时间内,被测电流减小至电流保护值以内时,电容开始放电,电压降低,完成长延时判决。

3.2.2 短延时判决电路

如图4 所示,电容的供电电压VDD 是固定的,因此电容的电压达到的时间也是固定的,实现了定时限延时保护算法。 其工作原理与长延时保护电路相同。

图4 短延时保护电路框图Fig.4 Block diagram of short delay protection circuit

当被测电流超过短延时电流保护值时,即≥,经过短延时判决电路判断后,启动短延时保护,电容开始充电。

当被测电流持续时间超过短延时时间,即电容的电压≥时,输出过流保护信号2。

在延时间内,被测电流减小至电流保护值以内时,电容开始放电,电压降低,完成短延时判决。

3.2.3 瞬时判决电路

如图5 所示,当被测电流超过瞬时速断保护电流值时,即≥, 经过瞬时保护电路判决后,直接输出短路保护信号。

图5 瞬时保护电路框图Fig.5 Block diagram of instant delay protection circuit

3.3 过流保护信号输出电路

如图6 所示,采用或门逻辑电路对长延时过流保护信号、短延时过流保护信号以及瞬时速断保护信号进行选择选择,输出电路过流保护信号作为后端开关电路的驱动信号。

图6 过流保护信号输出电路图Fig. 6 Diagram of overcurrent protection signal output circuit

4 仿真分析和验证

利用Multisim 仿真软件,对过流检测电路进行仿真分析,不仅可以清楚地了解电路的工作状态,还可以测量电路的性能指标,验证电路设计的正确性和准确性。

4.1 仿真条件

根据第3 章的电路设计,搭建仿真电路,如图7 所示,参数设计如表2 所示,进行以下设置:

表2 仿真参数Table 2 Simulation parameters

图7 仿真电路图Fig.7 Diagram of the simulation circuit

1)为了仿真分析方便,电流的放大倍数增益取1 V/A。 因此,式(2)可写为式(4)。

2)根据表2,过流保护门限电压分别设置为=5 V,=8 V,=10 V。

3)电容和充电门限电压=5 V 和=5 V。

4.2 仿真分析

4.2.1 长延时保护功能仿真

如图8 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态。 通过调整模拟负载电阻阻值,模拟被测电流发生变化,使得被测电流增大至5 A,达到长延时电流保护值,启动长延时电流保护。 当电流持续时间达到56 s时,输出过流保护信号。

图8 长延时保护电路仿真结果-1Fig.8 Simulation results of long⁃delay protection cir⁃cuit⁃1

如图9 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态,通过调整模拟负载电阻阻值,模拟被测电流发生变化,使得被测电流增大至7.9 A,超过长延时电流保护值。 当电流持续时间约为9 s 时,输出过流保护信号。

图9 长延时保护电路仿真结果-2Fig.9 Simulation results of long⁃delay protection cir⁃cuit⁃2

通过图8 和图9 对比可以得出,电路电流越大,保护时间越短,实现了反延时保护策略。

4.2.2 短延时保护功能仿真

如图10 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态,通过调整模拟负载电阻阻值,模拟被测电流发生变化,使得被测电流增大至8 A,达到短延时保护电流值,启动短延时电流保护。 当电流持续时间达到1.6 s时,输出过流保护信号。

图10 短延时保护电路仿真结果Fig.10 Simulation results of short⁃delay protection circuit

4.2.3 瞬时保护功能仿真

如图11 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态,通过调整模拟负载电阻阻值,模拟被测电流发生变化,使得被测电流瞬间增大至10 A 以上,达到瞬时保护电流值,立即输出过流保护信号。

图11 瞬时保护电路仿真结果Fig.11 Simulation results of instant⁃delay protection circuit

4.2.4 长延时波动电流仿真

如图12 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态,通过调整模拟负载电阻阻值,模拟被测电流发生变化,使得被测电流增大至7.9 A,超过长延时电流保护值,电容的电压开始上升,电容开始充电;持续1 s后,被测电流降至6 A,电压上升速率降低,电容继续充电但速率降低;持续10 s 后,被测电流降至4.3 A,电压开始降低,电容开始放电。

图12 长延时波动电流仿真结果Fig.12 Simulation results of long⁃delay fluctuation current

过流检测电路根据被测电流的波动动态调整延时时间,实现了动态反时限过流保护功能。

4.2.5 短延时波动电流仿真

如图13 所示,电路初始时被测电流=3.5 A,工作在正常状态,通过调整模拟负载电阻阻值,模拟工作电流发生变化,使得被测电流增大至8.8 A,达到短延时电流保护值,电容和的电压和开始上升,电容和开始充电;持续1 s 后,被测电流降至5.5 A,电压上升速率降低,电容继续充电,但速率降低,电压开始降低,电容开始放电;当电流持续达到长延时保护时间(即=)后,输出过流保护信号。

图13 短延时波动电流仿真结果Fig.13 Simulation results of short⁃delay fluctuation current

过流检测电路根据被测电流的波动动态调保护策略,在长延时和短延时之间进行切换,实现电路的动态保护,提高了设备的可靠性。

4.3 验证

基于上述电路原理及仿真结果,绘制电路原理图,如图14 所示。 完成原理样机的加工与生产后,进行实物测试验证,如图15 所示,采样专用的电流模拟测试设备,针对过流工况对过流检测电路设置的各个保护点进行测试,测试条件按照仿真条件进行。

图14 过流检测电路原理图Fig.14 Schematic diagram of overcurrent detection circuit

图15 过流检测电路实物测试Fig.15 Overcurrent detection circuit test

经过测试验证,结果如表3 所示,表明实际性能与仿真结果一致,满足技术指标要求。

表3 过流检测电路指标要求及测试结果Table 3 Specifications and test results of over⁃current detection circuits

5 讨论

电子系统中过流保护都是反应电流增大而启动保护动作,应该是多位置、多保护策略相互配合构成一套过流保护系统。 不仅仅需要在设备负载前端设置过流保护,更要在电子系统支路的分支处设置过流保护,在可能最小的区间内将故障从电子系统中断开,最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。 下面对电子系统中的多级过流保护策略进行简单讨论:

1)瞬时速断保护按照电子系统中最大短路电流来工作,对电子系统中电流的灵敏度最小。在电子系统负载后端中,各个保护点应以电流速断保护作为主保护,以无时限动作切除故障点,减少事故持续时间,防止事故扩大。 为了实现保护的选择性,实现准确故障隔离,瞬时速断保护应该只在局部发挥作用。

2)负载前端限时速断保护与负载后端电流速断保护相配合,且以较短时限可以获得选择性的过流保护。 限时速断(相对于瞬时速断有一定时延)保护作为后备保护,保护范围为整个电子系统全长,因此它的保护范围必然延伸到部分后端负载电子系统,当负载后端某处发生短路时,前端限时速断保护就要同步起动。 同时为了保证动作的选择性,就必须带有一定的延时,使它的保护范围不超过后端线路速断保护的保护范围。

3)过载保护(长延时保护和短延时保护)是按保护最大负荷电流进行的一种类型。 前端保护参数设置应考虑到与负载后端线路保护的时限配合。 在正常工作时不启动,而在电子系统发生过载或者短路状态时,电流增大而启动保护,它不仅能保护全长电子系统,也能保护后端全长负载线路,起到后备保护的作用。 以过载电流持续时间作为判据,实现保护的启动和返回,完成保护的选择性。

根据上述讨论,在电子系统设计时应在电子系统适当位置的设置过流保护,设置参数时应与负载后端过流保护措施相配合,达到对整个电子系统的保护。

6 结论

1)针对小功率过流保护器设计了一种基于高侧电路检测技术的可恢复式过流保护电路,全部采用硬件实现,取代了复杂的软件系统,可精确模拟保护曲线和灵活调整保护时间。

2)对过流检测电路进行仿真分析和实物验证,实现了反时限长延时、定时限短延时和瞬时速断功能,非常适用于小功率设备的过流保护。

3)设置合理的多级多种保护策略可提高电子系统的可靠性。

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