在前面的文章中我们制定了航空电子电源设计的关键标准后，本文第二部分将聚焦其中最具挑战性的难题之一：输入总线电过应力管理。宽总线电压范围、瞬态波动、尖峰脉冲及欠压工况，均对电力电子设计师构成了严苛的约束条件。

本文第二部分将解析这些标准中过电压的表征方式，探讨实用的抑制方法，分析尖峰脉冲与浪涌的特性，并阐释瞬态限制器的工作原理。

持续时间与能量

谈及尖峰脉冲与浪涌，核心始终围绕两个基本特性：持续时间与能量。二者有何区别?这对设计工程师而言又意味着什么?

尖峰脉冲

本文所指的 “尖峰脉冲” 是持续时间小于 1 毫秒的过电压。当持续时间超过该数值时，这类事件通常被称为 “浪涌”。理解这一区别至关重要，因为不同类型的过电压需要通过不同的器件进行防护。

通常，尖峰脉冲防护可采用钳位器件，如瞬态电压抑制(TVS)二极管、金属氧化物压敏电阻(MOV)或气体放电管。这一方案可行的原因在于，尖峰脉冲的持续时间相对较短，其包含的能量可由单个钳位器件承载。

选择任何钳位防护器件时，需考虑标准规定的三个关键参数：峰值电压、持续时间、能量或源阻抗。

以 MIL-STD-1275F 标准中规定的注入式电压尖峰为例，本系列第一部分的表 3 列出了如下参数的尖峰脉冲：±250 伏、70 微秒、200 毫焦。这对应标准中描述的瞬态尖峰脉冲包络(见下图 1)。在 MIL-STD-1275 的三个修订版本中，规定的最大能量经历了如下变化：C 版和 D 版为 15 毫焦，E 版提升至 2000 毫焦，最终在 F 版中回落至 200 毫焦。

我们已掌握峰值电压、脉冲持续时间和能量，但要使钳位防护与设计精准匹配，还需一个参数：最小钳位电压，即器件开始导通大电流的电压阈值。根据 MIL-STD-1275F 标准，对钳位器件本身最严峻的威胁是 100 伏、持续 50 毫秒的浪涌。

为防止这一长时间事件中过大电流导致器件损坏，防护器件的钳位电压必须等于或略低于 100 伏。因此，我们可选择触发电压为 100 伏、能量承载能力为 200 毫焦的钳位器件。

图1

但需注意，这些能量并非瞬时释放。对波形(红色曲线)的保守评估显示，初始最剧烈的浪涌 —— 第一个波峰 —— 仅包含总 200 毫焦能量中的不到 66 毫焦。该波峰具有极端特性：上升时间最快可达 50 纳秒(达到 250 伏时的压摆率为 5 伏 / 纳秒)，最小持续时间约为 1 微秒(半周期为 500 千赫兹)，而电源的输入阻抗通常可缓解这一冲击。

基于 66 毫焦能量在 25 微秒内消散的保守估算，在 250 伏电压下，对应的功率为 2.64 千瓦，峰值电流为 10.56 安。结合这些要求，我们可评估如下合适的钳位器件：

· SMCJ78CA(力特 [2.1])：该器件可作为候选方案。其峰值脉冲电流为 11.9 安时，最大钳位电压为 126 伏。尽管看似满足电流要求，但其钳位电压过高，无法为额定电压仅 100 伏的下游电路提供有效防护。

· SMDJ78CA(力特 [2.2])：这是更稳健的解决方案。其峰值电流承载能力达 23.8 安，相较于计算得出的 10.56 安要求具有充足余量，可确保可靠运行，并为最大额定电压 100 伏的电路提供有效防护。

· 5KP78CA(力特 [2.3])：若电路板空间不受限制，此类更高功率的器件可提供最大余量和 “无忧防护”，其电流承载能力高达 40.5 安。

当然，若电源输入端带有容性负载，上述计算结果可下调 —— 因为容性阻抗可吸收尖峰脉冲的相当一部分能量。值得注意的是，合格性测试程序要求至少进行 100 次尖峰脉冲注入，注入频率为每秒 1 次。有时，尖峰脉冲会施加于地与正极端子或地与负极端子之间，此时需根据安全规范判断是否允许使用 TVS 二极管。图 2 展示了尖峰脉冲抑制器在电源架构前端的安装位置。

图2

钳位防护器件的工作原理是使尖峰脉冲源过载，以最大化其内部阻抗上的压降。因此，若尖峰脉冲源的内部阻抗为零，TVS 二极管、MOV 或气体放电管等器件将失效。此外，在某些情况下，钳位防护并非必需 —— 高阻抗源产生的瞬态尖峰电压可通过电容或 LC 滤波器直接衰减。

例如，DO160G 标准第 17 节规定：50 欧源阻抗下的 600 伏 / 10 微秒尖峰脉冲。当该尖峰脉冲施加于 GAIA 转换器 FGDS 系列的任何一款滤波器时，600 伏瞬态电压将被衰减至几伏，完全处于下游转换器的耐受范围内。以 FGDS-2A-50V 为例，在承受该 600 伏尖峰脉冲时，其瞬态阻抗约为 0.7 欧，可将输出电压上升幅度限制在 35 伏以内(见图 3)。

图3

浪涌

当钳位浪涌瞬态电压时，依靠使浪涌源过载来产生压降的方法不再适用 —— 因为浪涌源的阻抗通常极低，且浪涌持续时间过长。在此情况下，浪涌包含的能量过高，单个钳位器件将因无法承载而损坏。

处理瞬态浪涌的最常用方法是在输入总线中串联一个元件，当输入电压达到设定值时，该元件将产生压降。这一方案要求瞬态防护器件需承受下游转换器的全部工作电流。图 4 展示了基于分立 P 沟道 mosfet 的瞬态电压限制器基本架构。与现成的商用货架(COTS)模块化方案相比，采用分立器件方案面临三大核心挑战：

· 安全工作区(SOA)合规性：浪涌发生时，MOSFET 将工作在电阻模式。设计工程师需验证所选晶体管的工作点是否处于其安全工作区内。由于安全工作区通常是在 25℃环境下标定的，工程师还需将该数据外推至产品的全可靠性工作温度范围(-40℃至 105℃)。

· P 沟道 MOSFET 选型：低功率应用(50-80 瓦以下)有多种 P 沟道 MOSFET 可选，但高功率项目通常需要使用 N 沟道 MOSFET。而采用分立 N 沟道 MOSFET 设计浪涌限制器将导致电路复杂度大幅提升。

· 热管理：MOSFET 在钳位过程中产生的热量管理增加了设计难度，需要进行复杂的热仿真计算。

图4

尽管基于 N 沟道 MOSFET 的瞬态限制器驱动电路现已商业化，但对于采用分立器件方案的设计工程师而言，确保全温度范围的安全工作区合规性、热管理及其他军用标准认证仍是巨大挑战。采用商用货架(COTS)模块化方案可显著简化设计工作，缩短项目开发周期。GAIA Converter 提供的瞬态限制器电压范围覆盖 80 伏至 202 伏，可满足大多数行业标准要求。

这些模块化产品的输出钳位电压与各类 DC-DC 转换器兼容，功率等级覆盖 50 瓦至 600 瓦。产品采用密封金属外壳封装，为板载安装设计，完全通过军用和航空电子应用认证。该系列产品以高可靠性为设计核心，具有极高的平均无故障时间(MTBF)。

图5

部分型号还集成了反向极性保护、浪涌电流限制、维持时间扩展等附加功能，最新款产品更融入了电磁兼容性(EMC)滤波功能。GAIA Converter 商用货架(COTS)瞬态限制器产品概览如表 1 所示。

表1

无需瞬态限制器的场景

正如高效的输入滤波可将过电压衰减至 DC-DC 转换器的最大耐受值以下，从而省去尖峰脉冲防护器件一样，宽输入范围的高性能 DC-DC 转换器也可避免浪涌防护器件的使用。例如，GAIA Converter 的 MGDD-80-N-E(80 瓦，输入电压 9-80 伏直流)和 MGDS-100-M-C(100 瓦，输入电压 10-100 伏直流)可分别承受符合 DO-160 标准的 80 伏直流瞬态输入和符合 MIL-STD-1275 标准的 100 伏直流瞬态输入，且不会损坏。

这种抗瞬态能力源于其在调节环路中采用的电流模式控制。与电压模式控制转换器不同 —— 后者需在输出电压上升后才对输入浪涌做出响应，存在短暂输出过冲风险 —— 电流模式控制可主动监测输入电流并调整调节策略，从而避免输出扰动。

后续展望

如本系列第一部分所述，军用和航空电子标准不仅规定了电源必须耐受的浪涌和尖峰脉冲等级，还定义了电磁干扰(EMI)的最大限值。对于开关模式电源(SMPS)而言，这些干扰也是重要的辐射源，构成了额外的设计挑战。本系列第三部分将解析电磁干扰(EMI)的多种传播路径，并重点介绍使用 EMC 滤波器的抑制方法。