适用于航天应用的电源电路的制作方法

本发明涉及一种电源电路，尤其涉及一种适用于航天应用的电源电路。

背景技术：

随着人类生活水平的提高，越来越多的电子设备的出现，如家用电器、手持电子设备等，成为了我们生活中不可或缺的部分。另一方面，随着科技的进步，人类开始探索宇宙奥秘，因此宇宙飞船，空间站，通信卫星等空间电子设备也在飞速发展。

然而，不管是地面的电子设备，还是空间电子设备，其要正常工作，都离不开电源电路的设计。尤其在宇宙空间中的电子设备，其电源系统的设计不仅要能正常工作，还必须考虑功耗、散热、尺寸、重量以及空间环境适应性等问题，以满足其长寿命，高可靠的要求。当前航天电子设备中常用的电源模块有dc/dc电源模块，线性稳压器模块。宇航等级的dc/dc电源模块价格非常昂贵，尺寸较大，且输出存在一定的开关噪声；为了满足emc要求，还会增加一个昂贵的滤波器，这无疑会大大增加一些普通商用卫星的成本。

此外，dc/dc电源模块，由于其工作原理是开关型，在空间环境中较容易受到高能粒子轰击影响。宇航等级的线性稳压器模块价格相较dc/dc便宜很多，且尺寸小，输出稳定性好，emc特性好，不易受空间高能粒子轰击影响；但是其输入电压不能太高，对于一些供电电压为+28v或者+42v的场合，由于元器件降额问题和温升问题，使用上受到了限制。

所以目前迫切需要一种在功耗允许的情况下，既能满足元器件降额使用，又能改善元器件的温升问题；同时，当电路发生单粒子锁定效应时，还可限制电路电流，检测电路故障并输出ttl遥测信号，提高了电路的空间环境适应性和可靠性的电源电路。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决线性稳压器模块在一些高供电电压场合使用受到限制的问题和元器件降额使用问题，改善温升问题，减小电路板尺寸，降低成本，以及当电路发生单粒子锁定效应时，如何检测故障和输出遥测信号，提高电路的空间环境适应性和可靠性的适用于航天应用的电源电路。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种适用于航天应用的电源电路，包括电压输入端、12v线性稳压块、5v线性稳压块、12v用电单元和5v用电单元，所述12v线性稳压块连接12v用电单元为其供电、5v线性稳压块连接5v用电单元为其供电，所述电压输入端经功率电阻器依次串联12v线性稳压块和5v线性稳压块，还包括一电流采样电路和一电压比较器电路；

所述电压输入端用于输入20v-50v电压；

还包括一功率电阻器、一电流采样电路和一电压比较器电路；

所述功率电阻器位于电压输入端和12v线性稳压块之间，用于限制其后级电路的电流大小，所述后级电路正常工作时的电流功耗为id，所述功率电阻器输出的电流满足后级电路功耗0.8id-1.2id的容差范围；

所述电流采样电路与功率电阻器并联，用于采集功率电阻器两端电压，放大后输出采样电压；

所述电压比较器的两输入端分别连接电流采样电路的输出、和预设的参考电压，用于比较采样电压和参考电压，并输出ttl电平信号。

作为优选：所述功率电阻器为一颗或多颗贴片电阻。

作为优选：所述电流采样电路为两个运算放大器u2a、u2b构成的差分放大电路。

作为优选：所述电流采样电路包括运算放大器u2a、u2b；

所述u2a的正向输入端分为两路，一路经电阻r11接功率电阻器，一路经电阻r13接地，u2b的正向输入端也分为两路，一路经电阻r10接功率电阻器的另一端，一路经电阻r12接地，u2a和u2b的正向输入端之间还连接有电阻r9；

所述u2a的反向输入端分为两路，一路经电阻r7连接u2b的输出端，一路经第一rc并联电路接u2a的输出端，所述u2b的反向输入端分为两路，一路经电阻r5接地，一路经第二rc并联电路接u2b的输出端；所述第一rc并联电路由并联的电阻r1和电容c1构成，所述第二rc并联电路由并联的电阻r4和电容c2构成；

所述u2a的输出端经电阻r8分为两路，一路经电容c7接地，一路连接电压比较器电路的输入端，u2a的4脚接地，8脚分两路，一路连接5v线性稳压块，一路经电容c4接地。

作为优选：所述电压比较器电路包括电压比较器u1a；

所述u1a的正相输入端连接电流采样电路的输出端，反相输入端分为两路，一路经电阻r2连接5v线性稳压块，一路经电阻r3接地，r3两端并联有电容c5，u1a的4脚接地，8脚分两路，一路连接5v线性稳压块，一路经电容c3接地；所述u1a的输出端经电阻r6后输出ttl电平信号，且电阻r6远离u1a的一端还经电容c6接地。

作为优选：所述12v线性稳压块型号为jw7812u，5v线性稳压块型号为jw7805u。

作为优选：所述u2a、u2b的型号为er158。

作为优选：所述电压比较器u1a的型号为max942msa。

本发明中：功率电阻器可以是一颗或者多颗串并联使用的，封装为2512、额定功率1w的贴片电阻，或者其他功率电阻器。

12v线性稳压块，用于对电路中的12v用电单元供电，可以选用+12v的线性稳压器。

5v线性稳压块，用于对电路中的5v用电单元供电，可以选用+5v的线性稳压器。

（1）本发明增设了功率电阻器，第一，具有有效限制电流的作用，防止在空间环境中，后级电路部分遭受高能粒子撞击而发生锁定效应，进而出现持续大电流；第二，通过监控功率电阻器的电压，可以实现监控电流的目的；第三，由于功率电阻器、12v线性稳压块、5线性稳压块在电气连接上是串联的，因此，功率电阻器可以分担部分功率耗散，降低12v线性稳压块的工作温升；第四，由于功率电阻器分得了部分压降，降低了后级、12v线性稳压块的输入电压，使12v线性稳压块输入条件满足一级降额要求，，即输入电压不能超过电源稳压模块的额定最大输入电压值的70%。

（2）采用了12v线性稳压块和5v线性稳压块，第一，相较于dc/dc模块，线性稳压器模块输出稳定性更好，且没有开关噪声；第二，该类稳压块采用双极性工艺，其抗辐照特性和抗单粒子效应的性能更好,即空间环境适应性更好；第三，线性稳压块尺寸小，重量轻，价格更便宜。

（3）电流采样电路，包括运算放大器u2a、u2b以及外围电阻电容组成的差分放大电路，用于采集所述功率电阻器1两端的电压，并进行差分放大，当电路消耗的电流越大，功率电阻器1两端的电压越大，差分放大后的电压也就越高，并将差分放大后的电压输出。

（4）电压比较器电路，用于接收所述电流采样电路6的输出，并输出相应ttl遥测信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）该电源电路不使用dc/dc稳压器模块和emc滤波器模块，在满足功率要求的情况下，仅使用线性稳压器模块和功率电阻器便可实现在高供电电压场合下的使用，且散热性好，尺寸小，重量轻，电源输出质量好，不会出现开关噪声，以及更好的空间适应性和可靠性，所述空间适应性主要指抗辐照和抗高能粒子撞击。

（2）本发明的电流采样电路和电压比较器电路和能够监控电路电流，当后级电路因突发情况，如空间单粒子锁定效应而出现短路或者大电流时，所述功率电阻器两端的电压增大，所述电流采样电路的输出也将增大，当所述电流采样电路的输出增大到一定值时，所述电压比较器电路的输出将发生变化，此输出变化便可作为遥测信号给到上层系统，上层系统识别到异常后，便可采取相应措施。

（3）本发明电路结构简单，通过各部分的协同工作，能够实现异常电流的检测和遥测，且散热性好，稳定性好，尺寸小，重量轻，价格便宜，可靠性更高。

综上，本发明就是为解决线性稳压器模块在此类场合使用受到的限制，提出了一种可靠的设计方法，在功耗允许的情况下，既能满足元器件降额使用，又能改善元器件的温升问题；同时，当电路发生单粒子锁定效应时，本发明还可限制电路电流，检测电路故障并输出ttl遥测信号，提高了电路的空间环境适应性和可靠性。

附图说明

图1为本发明电路原理框图；

图2为本发明所述电压比较器电路的电路图；

图3为本发明所述电流采样电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，一种适用于航天应用的电源电路，包括电压输入端、12v线性稳压块、5v线性稳压块、12v用电单元和5v用电单元，所述12v线性稳压块连接12v用电单元为其供电、5v线性稳压块连接5v用电单元为其供电，所述电压输入端经功率电阻器依次串联12v线性稳压块和5v线性稳压块，还包括一电流采样电路和一电压比较器电路；

所述电压输入端用于输入20v-50v电压；

还包括一功率电阻器、一电流采样电路和一电压比较器电路；

所述功率电阻器位于电压输入端和12v线性稳压块之间，用于限制其后级电路的电流大小，所述后级电路正常工作时的电流功耗为id，所述功率电阻器输出的电流满足后级电路功耗0.8id-1.2id的容差范围；

所述电流采样电路与功率电阻器并联，用于采集功率电阻器两端电压，放大后输出采样电压；

所述电压比较器的两输入端分别连接电流采样电路的输出、和预设的参考电压，用于比较采样电压和参考电压，并输出ttl电平信号。

实施例2：参见图1到图3，本实施例2在实施例1的基础上进一部分改进，所述功率电阻器为一颗或多颗贴片电阻，所述电流采样电路为两个运算放大器u2a、u2b构成的差分放大电路。所述电流采样电路包括运算放大器u2a、u2b；

所述u2a的正向输入端分为两路，一路经电阻r11接功率电阻器，一路经电阻r13接地，u2b的正向输入端也分为两路，一路经电阻r10接功率电阻器的另一端，一路经电阻r12接地，u2a和u2b的正向输入端之间还连接有电阻r9；

所述u2a的反向输入端分为两路，一路经电阻r7连接u2b的输出端，一路经第一rc并联电路接u2a的输出端，所述u2b的反向输入端分为两路，一路经电阻r5接地，一路经第二rc并联电路接u2b的输出端；所述第一rc并联电路由并联的电阻r1和电容c1构成，所述第二rc并联电路由并联的电阻r4和电容c2构成；

所述u2a的输出端经电阻r8分为两路，一路经电容c7接地，一路连接电压比较器电路的输入端，u2a的4脚接地，8脚分两路，一路连接5v线性稳压块，一路经电容c4接地。

所述电压比较器电路包括电压比较器u1a；所述u1a的正相输入端连接电流采样电路的输出端，反相输入端分为两路，一路经电阻r2连接5v线性稳压块，一路经电阻r3接地，r3两端并联有电容c5，u1a的4脚接地，8脚分两路，一路连接5v线性稳压块，一路经电容c3接地；所述u1a的输出端经电阻r6后输出ttl电平信号，且电阻r6远离u1a的一端还经电容c6接地。

所述12v线性稳压块型号为jw7812u，5v线性稳压块型号为jw7805u。

所述u2a、u2b的型号为er158。

所述电压比较器u1a的型号为max942msa。

实施例3：参见图1到图3，为了更好的说明本发明，我们在实施例1的基础上进行限定。

参见图3，图中r4=r7，r1=r5，r10=r11，r12=r13，r4=r7，其中电流采样电路并联在功率电阻器的两个端点处的电压，我们分别用vx1、vx2表示，输出端的电压，用vout1表示，vout1=（vx2-vx1）*（r4+r5）/r4。

设正常工作时，5v用电单元消耗的电流为ia=20ma，12v用电单元消耗的电流为ib=30ma，假设功率电阻器的电阻为100ω，根据图1我们设输入电压为+28v，则5v线性稳压块流过的电流为ia=20ma，12v线性稳压块流过的电流ic=50ma，功率电阻器流过的电流为id=50ma，在功率电阻器上承受的电压为100ω*50ma=5v，承受的功耗为5v*50ma=250mw，12v线性稳压块的输入电压为28v-5v=23v，承受的功耗为（23v-12v）*50ma=550ma。

由此可以看出，功率电阻器在正常工作的时候，将分担一部分电压，承载一部分功耗，可以有效降低12v线性稳压块的输入电压，12v线性稳压块的发热功耗，实现12v线性稳压块输入电压更大的降额和降低工作温升，提高电路的可靠性。另一方面，在宇航环境中，假设5v用电单元受到高能粒子撞击影响发生了单粒子锁定效应，工作电流从20ma增加到50ma，则ia=50ma，ib=30ma，ic=80ma，id=80ma，功率电阻器上将承受电压为100ω*80ma=8v，功率电阻器上的电压从5v变为8v，导致电流采样电路的输出将发生变化，当这个变化达到一定值，这个值可以通过电压比较器电路中r2和r3进行调节，电压比较器电路的输出也将发生变化，这个变化将作为遥测信号输出给上层系统，上层系统可以根据这个信号进行判断是否发生过电流故障，并进行相应处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。