一种高可靠性螺旋桨电除冰控制器

技术领域

本发明属于除冰技术领域，涉及一种螺旋桨的除冰装置，具体涉及一种高可靠性螺旋桨电除冰控制器。

背景技术

在特定的气候条件下，高空飞行的飞机迎风表面通常会伴随结冰现象，冰在飞机表面持续积累，最终因厚度和质量不断增大，螺旋桨桨叶边沿的冰可以被甩出，而螺旋桨根部的结冰则不能甩出，螺旋桨结冰后会导致飞机不稳定或推进力不足，影响飞行任务和飞行安全。电除冰是最常用的螺旋桨除冰方法。广泛应用于军事、民用等领域的飞机螺旋桨备中。

国外同类的除冰定时器，通过继电器控制机上28V直流加温电源通断，从而实现对螺旋桨的间歇加温，但是继电器可靠性低，在这种大电流情况采用继电器，容易使继电器的触点烧融，造成除冰定时器常通的故障，对飞机螺旋桨造成损坏，影响飞行任务和飞机安全。通过调研，发现该除冰定时器故障率偏高，其中因为继电器触点烧融，造成输出常通的故障为多发性故障。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高可靠性螺旋桨电除冰控制器，相较国外同类型除冰定时器，实现了螺旋桨电除冰控制器的高可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种高可靠性螺旋桨电除冰控制器，包括雷电防护电路、电压尖峰电路、线性稳压电路、时序发生电路和输出控制电路，输入输出接口均通过雷电防护电路连接其他电路，其中，输入接口还串联连接电压尖峰电路；线性稳压电路为后端时序发生电路提供电源；时序发生电路输出的控制波形控制输出控制电路，输出控制电路将机上输入的直流电源转换为90s接通、90s关断的加温电源。

进一步的，时序发生电路为双路，双路的时序发生电路通过相位同步电路控制时序相同，两路时序发生电路输出的控制波形分别控制两路输出控制电路。

进一步的，线性稳压电路中设有线性稳压器将28V电源电压转换为5V，线性稳压器是宽输入电压范围的线性稳压器，保证80V过压浪涌时，稳压电路仍能正常工作；线性稳压电路的输入端设有二极管提供反接保护。

进一步的，线性稳压器的5号脚连接电阻R201的一端，线性稳压电路的3引脚和4号脚连接电阻R201的另一端与输出端，线性稳压电路的5引脚还通过电阻R203接地线；通过调整电阻R201和电阻R203的电压来调整线性稳压电路输出电压值，具体为：

其中，V

进一步的，线性稳压电路为双路，双路的线性稳压电路通过二极管实现“或”操作，为后端时序发生电路提供稳定电源；双路的线性稳压电路包括线性稳压器M210和线性稳压器M211，线性稳压器M210和线性稳压器M211的输出端分别采用肖特基二极管V201和肖特基二极管V202接到一起输出。

进一步的，为防止来自地线上的瞬时电压尖峰，在时序发生电路地线与线性稳压电路输出地线之间通过二极管V214进行隔离。

进一步的，时序发生电路产生90s高电平、90s地电平的控制波形，具体包括RC振荡电路和分频电路，芯片M201上电瞬间，因为芯片M201的9引脚接高电平，所以芯片M201初始输出为高电平；RC振荡电路包括电阻R220、电阻R230、电容C240和电容C241，通过电阻R220和电阻R230对电容C240或电容C241的充放电，产生了一定频率的时钟信号，电阻R220和R230连接芯片M201的1引脚，电容C240或C241连接芯片M201的2引脚；通过计算RC的值，可使芯片M201的8脚输出周期为90s高电平、90s低电平的控制信号；芯片M201的8脚后端连接运算放大器M230组成的跟随电路。

进一步的，RC振荡电路的电路周期为：

将芯片M201的12脚、13脚接地，设置分频数为213，定时电路输出周期为T

计算RC振荡电路参数

其中C240、C241为100nF，

R220+R230-191.0665kΩ

因此电阻阻值为：R220为191kΩ，R230为66.5Ω。

进一步的，输出控制电路采用理想二极管驱动芯片M220将机上电压转换为90s接通、90s关断的加温电源，利用理想二极管芯片驱动两只背靠背的N沟道场效应管Q201和Q202实现输出的通断控制。

进一步的，两路输出控制电路互为备份，两路输出控制电路的输出端相连接形成“或”的电路。

本发明的有益效果如下：

1、本发明增加了雷电防护设计，可以承受A3G3L3等级的雷电感应试验；

2、本发明增加电压尖峰设计，可以承受600V 10us的电压尖峰；

3、本发明采用宽输入电压范围设计，可以承受80V 50ms浪涌；

4、本发明采用MOS管代替继电器控制加温电源通断，提高可靠性；

5、本发明采用高精度定时电路设计，实现90s通电、90s关断的功能，精度可以达到±1s；

6、本发明进行了双余度设计，正常情况下双余度电路同时工作，可以降低功耗；当其中一路断路故障时，剩余一路单独工作，可靠性极高；

7、本发明所用的元器件数量少，可靠性高，MTBF可以到140000h，输出常通故障发生概率为2.87×10

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明专利的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一种实施例的高可靠性螺旋桨电除冰控制器示意图；

图2是本发明一种实施例的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中线性稳压电路原理图；

图3是本发明一种实施例的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中时序发生电路原理图；

图4为本发明一种实施例的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中输出控制电路原理图；

图5为本发明一种实施例的高可靠性螺旋桨电除冰控制器的结构图。

具体实施方式

本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以互相组合。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系为给予附图说是的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或与案件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含包括更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或以上。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体化连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介简介连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种高可靠性螺旋桨电除冰控制器，包括雷电防护电路、电压尖峰电路、线性稳压电路、时序发生电路和输出控制电路，输入输出接口均通过雷电防护电路连接其他电路，其中，输入接口还串联连接电压尖峰电路；线性稳压电路为后端时序发生电路提供电源；时序发生电路输出的控制波形控制输出控制电路，输出控制电路将机上输入的直流电源转换为90s接通、90s关断的加温电源。

时序发生电路为双路，双路的时序发生电路通过相位同步电路控制时序相同，两路时序发生电路输出的控制波形分别控制两路输出控制电路。

线性稳压电路中设有线性稳压器将28V电源电压转换为5V，线性稳压器是宽输入电压范围的线性稳压器，保证80V过压浪涌时，稳压电路仍能正常工作；线性稳压电路的输入端设有二极管提供反接保护。

线性稳压器的5号脚连接电阻R201的一端，线性稳压电路的3引脚和4号脚连接电阻R201的另一端与输出端，线性稳压电路的5引脚还通过电阻R203接地线；通过调整电阻R201和电阻R203的电压来调整线性稳压电路输出电压值，具体为：

其中，V

线性稳压电路为双路，双路的线性稳压电路通过二极管实现“或”操作，为后端时序发生电路提供稳定电源；双路的线性稳压电路包括线性稳压器M210和线性稳压器M211，线性稳压器M210和线性稳压器M211的输出端分别采用肖特基二极管V201和肖特基二极管V202接到一起输出。

为防止来自地线上的瞬时电压尖峰，在时序发生电路地线与线性稳压电路输出地线之间通过二极管V214进行隔离。

时序发生电路产生90s高电平、90s地电平的控制波形，具体包括RC振荡电路和分频电路，芯片M201上电瞬间，因为芯片M201的9引脚接高电平，所以芯片M201初始输出为高电平；RC振荡电路包括电阻R220、电阻R230、电容C240和电容C241，通过电阻R220和电阻R230对电容C240或电容C241的充放电，产生了一定频率的时钟信号，电阻R220和R230连接芯片M201的1引脚，电容C240或C241连接芯片M201的2引脚；通过计算RC的值，可使芯片M201的8脚输出周期为90s高电平、90s低电平的控制信号；芯片M201的8脚后端连接运算放大器M230组成的跟随电路。

RC振荡电路的电路周期为：

将芯片M201的12脚、13脚接地，设置分频数为213，定时电路输出周期为T

计算RC振荡电路参数

其中C240、C241为100nF，

R220+R230＝191.0665kΩ

因此电阻阻值为：R220为191kΩ，R230为66.5Ω。

输出控制电路采用理想二极管驱动芯片M220将机上电压转换为90s接通、90s关断的加温电源，利用理想二极管芯片驱动两只背靠背的N沟道场效应管Q201和Q202实现输出的通断控制。

两路输出控制电路互为备份，两路输出控制电路的输出端相连接形成“或”的电路。

下面结合附图详细说明本发明另一个实施例。

图1为本发明提出的高可靠性螺旋桨电除冰控制器示意图，输入电源范围为18V～29V，可以承受80V的短时浪涌电压。在输入输出接口设计雷电防护电路，可以承受3级的雷电感应试验。在输入接口设计电压尖峰电路，可以承受600V 10us的电压尖峰试验。设计双路线性稳压电路，通过二极管实现“或”操作，为后端时序发生电路提供电源，只要有1路线性稳压电路正常就可以保证后端时序发生电路正常工作，从而提高可靠性。设计双路时序发生电路，并通过相位同步电路保证两路时序发生电路输出波形的相位相同，两路时序发生电路输出的控制波形分别控制两路输出控制电路，将机上输入的直流电源转换为90s接通、90s关断的加温电源，因为控制波形相位和频率相同，所以两路输出控制电路输出的加温电源频率和相位也完全相同。正常情况下，两路时序发生电路、两路输出控制电路同时工作，并联输出，可以降低导通损耗，提高整体效率，当其中任一路时序发生电路或者输出控制电路无输出时，另外一路可以单独工作，从而提高可靠性，去除电除冰控制器的单电故障。

本发明通过瞬态抑制二极管实现雷电防护和电压尖峰防护功能。通过计算雷电感应能量和输入电压范围选择瞬态抑制二极管型号。而600V 10us的电压尖峰试验，能量很小，选用1500W的瞬态抑制二极管可以满足要求。

图2为本发明提出的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中线性稳压电路原理图，该电路用于时序发生电路提供电源，由于所需功耗很小，为了保证整体的电磁兼容性，选用线性稳压器M210、M211将28V电源电压转换为5V，为时序发生电路提供电压。考虑到防反接设计和过压浪涌设计，选用宽输入电压范围的线性稳压器，保证80V过压浪涌时，稳压电路仍能正常工作；在电路输入端串联二极管V215、V216，用来防反接保护，选用二极管反向耐压可以达到150V，保证输入反接时不会损坏。因为线性稳压电路用于给后端时序发生电路供电，时序发生电路所用芯片耐压偏低，为了防止来自地线上的瞬时电压尖峰，在时序发生电路地线与线性稳压电路输出地线之间通过二极管V214进行隔离，保证来自输入地线上的瞬时电压尖峰不会影响到时序发生电路。为了避免单个电路损坏时，影响时序发生电路的正常工作，输出滤波电容C220～C223采用串联的方式，避免电容短路失效后导致线性稳压电路短路。线性稳压电路采用冗余设计，两路线性稳压电路输出端采用肖特基二极管V201、V202接到一起，形成“或”的电路，提高线性稳压电路可靠性。通过调整电阻R201～R204的电压可以调整线性稳压电路输出电压值，计算公式如下：

其中，V

另一路线性稳压电路的输出电压值则为：

图3为本发明提出的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中时序发生电路原理图，该电路用于产生90s高电平、90s地电平的控制波形。时序发生电路由两部分组成：RC振荡电路和分频电路。芯片M201上电瞬间，因为9引脚接高电平，所以芯片M201初始输出为高电平，RC振荡电路通过电阻R220、R230对电容C240/C241的充放电，产生了一定频率的时钟信号，通过计算RC的值，可使芯片M201的8脚输出周期为90s高电平、90s低电平的控制信号。从而实现90s通电，90s断电的功能，通断电时间由充放电的RC值决定。为了保证输出型号的精度，选用高精度低温漂的电阻和电容，温漂为±30ppm/℃，精度为±5％。为了保证电容短路故障时，不会造成输出常通或者无输出的故障，采用两个电容串联的形式。

为了保证时序发生电路输出型号的驱动能力，在后端设计由运算放大器M230组成的跟随电路，用于隔离时序发生电路与后端输出控制电路，保证时序发生电路不受后端电路影响，同时提高输出型号的驱动能力。

为了提高可靠性，时序发生电路采用冗余设计，将两个时序发生电路中时钟芯片的1脚通过二极管V203和电阻R222接到一起，保证两路时序发生电路输出相位、频率同步。

RC振荡电路为R220、R230、C240、C241，电路周期为：

将芯片M201的12脚、13脚接地，设置分频数为213，定时电路输出周期为T

计算RC振荡电路参数

其中C240、C241为100nF，

R220+R230＝191.0665kΩ (5)

因此电阻阻值为：R220为191kΩ，R230为66.5Ω。

考虑电阻、电容允许误差和温漂，选用高精度、低温漂的电阻和电容，电阻精度为±1％，温漂为±100ppm/℃，电容全温度范围精度为±5％，温漂为±30ppm/℃。

误差影响计算：

C240、C241选用100nF的，C240、C241串联使用，计算上实际误差后，容值在47.5nF～52.5nF之间；电阻阻值为：R220为191kΩ，R230为66.5Ω，计算误差后，R220+R230应在190.87543kΩ～191.2575665kΩ。计算实际定时电路周期：

温漂影响计算：

C240选用100nF的，温漂为±30ppm/℃，工作温度范围-55℃～70℃，按照常温25℃为基准计算：

ΔC

ΔC

R220为191kΩ，R230为66.5Ω，温漂为±100ppm/℃，工作温度范围-55℃～70℃，按照常温25℃为基准计算：

ΔR

ΔR

选取上述计算所得最大变化值，计算温漂影响，多谐振荡电路充放电时间：

T

T

通过上述计算，电阻电容温度漂移的对电路影响偏低，满足±1％的允许误差要求。

而电容允许误差对电路影响偏大，不能满足±1％的允许误差要求，但是可以通过匹配电阻R220+R230的阻值达到要求。受电容固有误差的原因，时序发生电路的周期会产生较大偏差，在实际装配过程中，需要根据实际使用的电容容值来调整电阻R220+R230的阻值，从而对时序发生电路的输出周期进行补偿，达到±1％的允许误差要求。

图4为本发明提出的高可靠性螺旋桨电除冰控制器中输出控制电路原理图，该电路将机上电压转换为90s接通、90s关断的加温电源。输出控制电路采用理想二极管驱动芯片M220实现，利用理想二极管芯片驱动两只背靠背的N沟道场效应管Q201、Q202，实现输出的通断控制，同时还可以实现防反接功能和放电流倒灌功能。为了去除单点故障，提高可靠性，设计两路输出控制电路，互为备份，将两路输出控制电路输出端接到一起，形成“或”的电路，因为时序发生电路输出的控制波形相位、频率一致，所以两路输出控制电路输出相位、电平同步。当某一路输出控制电路失效后，仅会导致整体功耗增大，而不会导致功能丧失。考虑到有大电流流过N沟道场效应管，针对场效应管增加散热措施，将4只N沟道场效应管通过螺钉固定到产品底部壳体上，N沟道场效应管与产品壳体之间增加绝缘导热垫，减小二者之间的热阻，提高散热性能。

图5为本发明提出的高可靠性螺旋桨电除冰控制器的结构图，壳体、上盖板为整体加工形成，上盖板外侧的凸起结构与壳体的凹槽结构相配合，上盖板内侧安装有导电胶条，通过安装螺钉，将导电胶条压紧，保证了较好的密封性能，同时，为避免安装螺钉位置聚集水汽等，壳体与上盖板之间的安装螺钉位置设计为侧端位置。