LRU（現(xiàn)場可更換單元）是採用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體及電氣介面的模組化子系統(tǒng)。LRU廣泛用于軍用和民用航空領(lǐng)域，在這類應(yīng)用環(huán)境中，簡單的單元替換可簡化遠(yuǎn)端位置的維護(hù)工作。每個(gè)LRU都必須符合嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)要求，以確保在惡劣環(huán)境中的相容性和可靠性。

　　本文將討論LRU電源介面，重點(diǎn)討論在電壓尖峰、突波及紋波形式的電源異常情況下，如何保護(hù)下行DC/DC轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器。

　　尖峰、突波和紋波

　　尖峰和突波的定義在不同的標(biāo)準(zhǔn)中略有差異。各國都制訂了自己的軍用標(biāo)準(zhǔn)，而飛機(jī)製造商採用自行標(biāo)準(zhǔn)，RTCA（航空無線電技術(shù)委員會(huì)）則制訂了國際性標(biāo)準(zhǔn)，以在前兩者之間設(shè)立起銜接的橋梁。表1顯示了叁種主要的參考標(biāo)準(zhǔn)并匯總了其瞬態(tài)要求。

　　以上只是必須滿足的粗略要求，每種規(guī)格都包含有詳細(xì)的性能曲線示意圖和測試條件。MIL-STD-1275D標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)模式下的紋波規(guī)格給出的是最極端情況，正常工作模式規(guī)定為偏離穩(wěn)態(tài)條件±2V。其他的國家級(jí)規(guī)格還有很多，比如英國政府制訂針對軍用車輛的DEFSTAN 61-5（第六部份），該標(biāo)準(zhǔn)的要求與MIL-STD-1275D大致相似，不過其針對的是12V和24V系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須可以承受所規(guī)定的最極端狀況，但通常情況下的目標(biāo)是，開發(fā)出的電路在達(dá)到預(yù)先確定的安全停機(jī)點(diǎn)之前，能在規(guī)定的瞬態(tài)變化範(fàn)圍內(nèi)持續(xù)工作。在某些情況下，在有限的LRU機(jī)箱內(nèi)，因?yàn)橐s小組件的實(shí)體尺寸，不能完全滿足規(guī)格要求，這就需要在客戶和供應(yīng)商同意的情況下修訂規(guī)格。

　　這種差異導(dǎo)致很難開發(fā)一個(gè)滿足所有需求的單一解決方案，而且計(jì)畫不同標(biāo)準(zhǔn)要求也有很多變化，為了滿足工作環(huán)境要求需要對開發(fā)中的LRU做相應(yīng)調(diào)整。因此，設(shè)計(jì)師要視乎情況不同而採用不同的保護(hù)電路。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　電壓尖峰往往表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)十微秒的幾百伏電壓，源自雷擊或負(fù)載階躍的感性耦合。目前的對策是在LRU連接器組件中使用一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器，并結(jié)合一個(gè)π型濾波器與鐵氧體磁珠陣列，這種解決方案有效且節(jié)省空間。

　　而更具挑戰(zhàn)性的是防止電壓突波的傳播，其由負(fù)載突降引起，通常低于100V并持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒。當(dāng)一個(gè)負(fù)載電路斷接導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)兩端的電壓短時(shí)間內(nèi)迅速增大、因而採用相同電源的其他負(fù)載上的電壓也在短時(shí)間內(nèi)迅速增大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓突波傳播。解決方案之一是採用由一個(gè)串聯(lián)電感器和高值電解旁路電容器組成的被動(dòng)網(wǎng)路，配以一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器和熔絲。然而，此類解決方案往往很龐大，而且會(huì)出現(xiàn)某些較高電壓的傳輸，因此要求下行組件必須耐受比實(shí)際需求更高的輸入電壓。

　　業(yè)界設(shè)計(jì)人員通常基于使用MOSFET傳輸元件（pass element）的分離組件來開發(fā)主動(dòng)解決方案，但這通常需要花費(fèi)大量的測試時(shí)間用于最佳化感應(yīng)、控制迴路及傳輸電晶體電路。防止MOSFET傳輸元件過熱并使之處于安全工作區(qū)內(nèi)常常被認(rèn)為是設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。有時(shí)仍需要使用熔絲來保護(hù)MOSFET免遭短路故障。但更換熔絲對于民用航空而言會(huì)很麻煩，或者會(huì)導(dǎo)致重要的軍用設(shè)備在緊要關(guān)頭癱瘓。本文推薦的一種解決電壓突波問題的方案是，採用LT4356突波抑制器，該元件非常適用于完成抑制突波的任務(wù)，后面將詳細(xì)地介紹其工作塬理。

　　此外，LRU輸入電源上的電壓紋波可能帶來進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。尤其是，針對軍用車輛發(fā)電機(jī)模式的MIL-STD-1275D規(guī)格相當(dāng)嚴(yán)格（參見表1）。人們採用了各種不同的方法，包括允許保護(hù)電路將紋波傳遞至穩(wěn)壓級(jí)或者到電壓紋波幅度更加適中的地方，以及在保護(hù)電路內(nèi)部對其進(jìn)行濾波處理等。在后一種方法中，必須對保護(hù)電路實(shí)施最佳化，以便有針對性地處理具有不同特性的大電壓瞬變與小幅度的緩變紋波。

　　表1：瞬態(tài)要求概要。

　　技術(shù)趨勢

　　由于成本、空間和重量方面的壓力，再加上利用多個(gè)低電壓、大電流的電源軌來給復(fù)雜的FPGA及處理器供電的需求日益成長，導(dǎo)致負(fù)載點(diǎn)（POL）電源架構(gòu)成為發(fā)展趨勢。

　　在板級(jí)設(shè)計(jì)上，採用大型模組化的螺栓式隔離型穩(wěn)壓器為最終電壓軌提供多個(gè)輸出的做法正逐步讓位于分佈式的高效率POL交換式穩(wěn)壓器，例如凌力爾特公司的uModule系列（見圖1）。此類穩(wěn)壓器通常由LRU內(nèi)部的一個(gè)隔離式中間電源匯流排來供電，而LRU則依靠飛機(jī)或車輛的電源系統(tǒng)饋送28V或更高的直流電壓。

　　圖1：凌力爾特LTM4601 uModule產(chǎn)品。

　　轉(zhuǎn)向POL電源架構(gòu)使得有機(jī)會(huì)將突波保護(hù)從中央電源電路板重新分配到LRU內(nèi)的各個(gè)電路板上。較小的負(fù)載則可以採用使用專用過壓保護(hù)IC的小型高效解決方案。

　　LT4356解決方案

　　LT4356突波抑制器保護(hù)負(fù)載免受高壓瞬態(tài)和過流故障影響。圖2顯示了該元件的簡化結(jié)構(gòu)圖。在正常作業(yè)條件下，一個(gè)外部N通道MOSFET被驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通，并充當(dāng)一個(gè)傳輸元件。如果輸入電壓升高，高于FB接腳電阻分壓器設(shè)定的穩(wěn)定點(diǎn)，那么該MOSFET就變成一個(gè)線性穩(wěn)壓器，允許負(fù)載電路經(jīng)過瞬態(tài)事件繼續(xù)工作。

　　圖2：LT4356簡化結(jié)構(gòu)圖。

　　產(chǎn)生過流時(shí)，電流限制迴路控制MOSFET上的柵極電壓，以將VCC和SNS接腳之間的檢測電壓限制到50mV。

　　無論過壓還是過流都將啟動(dòng)一個(gè)電流源，以給TMR接腳充電。充電電流與輸入至輸出電壓之差有關(guān)，這樣故障越嚴(yán)重，定時(shí)器週期就越短，因而確保MOSFET保持在安全工作區(qū)內(nèi)。當(dāng)VTMR達(dá)到1.25V時(shí)，故障接腳拉低，以指示檢測到一個(gè)故障。如果故障狀態(tài)持續(xù)，那么當(dāng)VTMR達(dá)到1.35V時(shí)，MOSFET斷開。用2uA電流拉低TMR接腳，以設(shè)定冷卻週期，直到該接腳達(dá)到0.5V的重試門限且MOSFET再次接通為止。

　　圖3a顯示了一個(gè)具12V輸入的典型應(yīng)用電路，而在圖3b中，16V箝位電平保護(hù)下行DC-DC轉(zhuǎn)換器免受80V輸入突波影響。

　　圖3：LT4356應(yīng)用電路。

　　LT4356可以在4V至80V（最大絕對值為100V）的輸入電壓範(fàn)圍內(nèi)工作，還可以拉至比地電位低60V而不會(huì)損壞。在需要的地方增加一個(gè)小型瞬態(tài)電壓抑制器，可以針對短暫的高壓尖峰提供更高的保護(hù)水準(zhǔn)。LT4356有叁個(gè)版本（參見表2）。

　　表2：LT4356可選版本。

　　LT4356MP（軍用級(jí)塑封）級(jí)產(chǎn)品在-55℃至+125℃的溫度範(fàn)圍經(jīng)過測試并有保證，採用MSOP-10或SO-16封裝。所有MP級(jí)產(chǎn)品還經(jīng)過了更嚴(yán)格的篩選、可靠性監(jiān)視和更嚴(yán)格的製程過程內(nèi)控制。與凌力爾特的所有產(chǎn)品一樣，MP等級(jí)的元件也提供了終身擔(dān)保，而且這種產(chǎn)品可採用無鉛型或含錫鉛的端子涂層。

　　本文小結(jié)

　　就滿足軍用和飛機(jī)設(shè)備的可靠性要求而言，在LRU中採用堅(jiān)固的保護(hù)電路是極其必要的。多種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格、設(shè)備發(fā)展趨勢以及轉(zhuǎn)向POL電源架構(gòu)，這些因素都導(dǎo)致需要小型、高效率、可分佈在LRU內(nèi)電路板上的保護(hù)電路。這類電路傳統(tǒng)上是由分離式組件構(gòu)成的，難以最佳化，而且最佳化要耗費(fèi)大量時(shí)間。LT4356突波抑制器可構(gòu)成有效的過壓、過流保護(hù)電路的基礎(chǔ)，是凌力爾特提供的斷路器和過壓保護(hù)元件系列的成員之一。