无人机机载电子设备因输入端容性负载特性，在直流供电瞬间易引发强冲击电流，导致电源系统稳定性降低并可能诱发系统级电磁兼容问题。中国融通集团第六十研究所的周应旺、李杨晔在2025年第6期《电气技术》上撰文，针对瞬态冲击电流的抑制需求，在系统分析传统浪涌抑制方案的基础上，提出一种新型预充电路抑制方法。

  通过构建可控预充电回路，结合RC时间常数优化设计，实现充电电流与时间常数的精准匹配，在保障系统可靠性的同时明显降低成本。工程验证表明，该方法可将上电冲击电流峰值抑制在额定工作电流范围内，有效维持电源母线电压稳定性。研究成果为保障机载电子系统的电源品质提供了具有实用价值的解决方案，非常适合于对供电质量与电磁兼容性要求严苛的无人机平台。

  无人机进入多电、全电发展阶段，供配电系统对无人机发展的重要性不言而喻。无人机智能配电系统由电源转换单元、控制单元和配电中心组成，负责机载设备和任务设备供电管理。电源转换单元将输入的三相交流电压转换为直流电压，并将应急电源及地面调试电源防反后汇入主汇流条；控制单元接收飞控计算机的控制指令，通过控制器局域网（controller area network, CAN）总线发送对应设备的供配电控制指令，同时采集设备的供电电压、电流与状态信息等，通过串口通信反馈给飞控计算机进行监测；配电中心采用固态功率控制器（solid-state power controller, SSPC）控制负载通断。

  SSPC是指用来代替继电器的转换功能和断路器的电路保护功能的固态元器件，是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置，具有响应迅速、驱动功率小和无二次击穿的特点，SSPC通过检验测试负载电流来实现故障保护，比传统的断路器的热保护更为灵敏。为满足电磁兼容性要求及电压稳定性，无人机机载电子设备电源输入端通常并联电容器，SSPC控制负载上电瞬间，电容器相当于短路状态，产生的瞬时冲击电流大于额定电流的5倍，容易触发SSPC的过电流保护，影响电源电压稳定和干扰信号采集，甚至损坏电子器件。

  航空活塞发动机作为无人机动力装置，为无人机及发电机提供动力。发动机冷却采用冷却液进行强制循环，及时带走缸头、缸体上发动机产生的热量。冷却装置包含液体散热器、温度压力传感器和散热风机等，其中散热风机为冷却装置进行强制散热，散热风机电源输入端并联有大容量电容器。

  本文所述智能配电系统具备多路多规格SSPC，负载能力包括5A、30A等，其中第一路SSPC即SSPC1的负载能力为5A，控制负载1上下电，第二路SSPC即SSPC2的负载能力为30A，控制冷却液散热风机上下电。测试过程中，当SSPC2给散热风机上电时产生冲击电流，其采样值波形如图1所示。

  SSPC2负载电流在负载接通后80ms内上升到150A，维持的时间约10ms，是额定电流的5倍，触发SSPC2的过电流保护而关闭通道，并导致SSPC1供电电压出现异常，存在损坏机载设备的风险，影响智能配电系统正常工作。

  针对此现象，本文对其产生原因做多元化的分析，介绍常用的冲击电流抑制方法，在此基础上，提出一种采用预充电路进行冲击电流抑制的方法，并叙述其工作原理、电路组成与工作流程。搭建实物验证平台，以证明该方法能够有效抑制负载上电瞬时冲击电流，来保证电源稳定性，解决设备自兼容问题。

  某无人机的智能配电系统原理框图如图2所示，由主控模块、通信模块、SSPC模块与信号采集模块等组成，通过RS 422总线接收飞控计算机的负载供电控制命令，按预设逻辑控制SSPC接通或断开，完成无人机电子设备配电功能；同时，将智能配电系统的工作状态、负载参数及采集的电源参数通过RS 422总线上传至飞控计算机。产品实现时，SSPC1、SSPC2的控制电路在同一块SSPC电路板上，直流28V电源通过外部电源接口接入28V主汇流条，再经SSPC输出给后端负载。

  根据图1中的现象，对智能配电系统来进行分析排查，采用CAN总线分析仪在主控模块与SSPC间通信的CAN总线电流采样值异常，同时故障出现时SSPC1的输出电压波形呈现规律性的接通和关断，SSPC1输出电压波形如图3所示。测量到SSPC1关断后40ms再次接通，SSPC1重复上电3次后保护依旧动作，控制中心控制SSPC1关断，符合SSPC1负载过电流保护逻辑。由此能够确定，SSPC1负载电流采样异常，导致SSPC1执行负载过电流保护而限制电压输出。

  智能配电系统模块设计SSPC1的额定负载能力为5A，对应输入单片机的电压采样值为0.1V，当电压采样值大于额定值1.3倍（即0.13V）时，判断SSPC1过电流，采用I2T曲线过电流保护。为进一步查明故障最终的原因，观测SSPC1负载电流在SSPC2上电瞬间的变动情况。SSPC1电流采样波形如图4所示，图中MOSFET栅极-源极电压为SSPC2开关电路中金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET）栅极-源极两端电压，SSPC1负载电流以对应电压采样值表示。

  由图4可知，SSPC1负载电流电压采样值在SSPC2开关接通时刻开始振荡，波形峰-峰值约为5.0V，半波峰值超过2V。SSPC2开通瞬时冲击电流为150A，维持的时间约10ms，如图1所示。由图4可知，SSPC1负载电流的电压采样值超过1V，即SSPC1电流大于50A，维持的时间超过10ms时，智能配电系统判断SSPC1负载过电流10倍，执行快速过电流保护的方法，因而出现如图3所示的输出电压波形。

  根据对问题现象的描述、智能配电系统工作原理的介绍及测试数据的分析可知，智能配电系统SSPC1输出电压异常是由于SSPC2负载上电瞬时冲击电流产生空间电磁干扰，导致SSPC1负载过电流保护。

  针对此问题，需要从干扰源头进行解决，减小干扰源的电场强度。当SSPC2负载上电冲击电流减小到某些特定的程度时，一方面能够避免因较大冲击电流导致SSPC2输出保护，使其正常工作；另一方面能降低冲击电流产生的空间电磁干扰，保证SSPC1负载电流采样电路不会受到干扰，SSPC1输出电压正常。

  ①在线路中增加限流电抗器，此方法某些特定的程度上限制了电流的上升率与最大电流，但非线性元件会产生额外的电磁干扰与谐波，影响系统稳定性；

  ②在母线上串联大电感或电阻，此方法中大电感增加电源体积和质量，正常工作时电阻带来功率损失，适用于小电流场合；

  ③在母线上串联负温度系数（negative temperature coefficient, NTC）热敏电阻，连续开关机时会出现冲击电流抑制失效现象，仅适用于无连续开关机和小电流的场合；

  ④在母线上串联可恢复熔断器，此方法中熔断器响应时间比较久，不适合做上电瞬间冲击电流抑制器；

  ⑤在母线上串联MOSFET，如图5所示，该方法利用MOSFET对冲击电流进行抑制，具有很快的反应速度和较小的损耗，具有更高的效率，但是该方法利用MOSFET的安全工作区抑制冲击电流，对安全工作区要求高，选型不当易损坏MOSFET，降低了系统可靠性。

  无人机要求机载电子设备可靠性高、质量轻、体积小与维护方便，在满足这些条件的前提下，本文在母线串联MOSFET进行冲击电流抑制的基础上，提出一种采用预充电路进行冲击电流抑制的方法。设计思路为预充电路输出端与SSPC输出端并联，配电中心接收到给负载供电指令时，先接通预充开关，通过限流电阻给容性负载充电，充满后控制SSPC接通给后端负载供电，同时关闭预充开关，通过预充电路将该通道的上电冲击电流抑制在额定电流以下。

  本文所提方法不但可以精确抑制负载供电瞬时冲击电流，还对后端负载电容量的大小、多路负载同时上电等具有很强的兼容性，提高了电源抗冲击能力，亦可应用于高压直流电源冲击电流抑制，降低MOSFET损坏率。

  采用预充电路进行冲击电流抑制的电路原理如图6所示，预充电路由R3、R4、Q2与VD2组成，SSPC开关电路由R1、R2、Q1与VD1 组成。其中，R1与R3分别为MOSFETQ1与Q2的驱动限流电阻，防止瞬间电流过大导致驱动模块损坏，同时起到消除信号振荡的作用，提高电路可靠性；VD1 与VD2为稳压二极管，用于钳位MOSFETQ1和Q2的栅极驱动电压；R4为功率限流电阻，用于控制预充电路充电电流的大小及充电时间；R2为负载电流采样电阻，用于采集后端负载电流；C1为负载电源输入端滤波电容。

  电路工作流程为：当接收到SSPC开通控制指令时，通过时序控制预充开关Q2导通，预充电路经限流电阻R4给电容C1充电，充电时间依据电容C1值和电阻R4值确定，并可根据负载电容值的大小调整充电电流和充电时间，当电容充满电后控制接通SSPC开关Q1，并关闭开关Q2，此时该通道的上电冲击电流被控制在额定电流以下，避免了电路误保护、电源损伤，延长了MOSFET常规使用的寿命，解决了对其他信号的电磁干扰问题。

  为了验证所提出的采用预充电路进行冲击电流抑制的方法的有效性，使用前述某无人机智能配电系统来进行测试，该智能配电系统具备交流转直流、设备供配电功能，控制某型无人机机载设备供电，由接触器控制电路、主汇流条、SSPC配电电路、主控制电路、信号采集电路等组成。

  按照2.2节所述电路原理选取电路参数如下：MOSFET选择高压小电流类型，电阻R1与R3为限流电阻，参数范围为50～150W，阻值取100W；考虑电流转换为电压后的采样电压范围，并且尽可能减少功率损耗，采样电阻R2阻值取2mW；预充电电流取1倍负载额定电流，R4阻值由预充电流与输入电压进行计算，计算得其阻值取0.9W；负载端滤波电容参数范围1 000～4 700mF，由短时预充时间要求选取实际负载电容C1的容值为2 200mF；根据MOSFET导通特性，控制信号U1、U2电压值为12.5V，输入电源Uin电压值为28V，测试实物如图7所示，测试环境如图8所示。

  经实践验证，预充电路能很好地抑制电源上电冲击电流。瞬时冲击电流如图9所示，实测上电瞬间电流峰值为30A，限制在额定电流40A以内。MOSFET开通时刻电压电流如图10所示，SSPC2开关电路中MOSFET栅极-源极两端电压在开通瞬间电压值为12.5V；与图4对比，SSPC1采样电流不再有振荡现象，从CAN总线的负载状态与初始设定值一致。上述测试根据结果得出，采用预充电路进行冲击电流抑制的方法有效。

  本文针对无人机智能配电系统中散热风机上电瞬间产生的冲击电流问题，系统分析了其成因及潜在危害，并对比了多种抑制方案的技术特性。基于母线串联MOSFET架构，本文创新性地提出了一种自适应预充电拓扑优化方法：通过在SSPC输出端并联可控预充电路，结合负载电容参数的动态调节机制，实现充电电流与时间常数的精准匹配。

  该设计在保证电路鲁棒性的同时，将瞬态冲击电流峰值降低至额定电流范围内，且硬件成本低于传统方案。经多工况工程验证，该方法兼具拓扑简洁性与控制灵活性，可有效提升机载电源系统的供电兼容性，为航空电子设备的浪涌抑制提供了可复用的工程 范式。

  本工作成果发表在2025年第6期《电气技术》，论文标题为“ 一种直流电源冲击电流抑制方法”，作者为周应旺、李杨晔。返回搜狐，查看更加多