直流寬範圍輸入電源的製作方法

2024-03-04 21:53:15

專利名稱：直流寬範圍輸入電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源，特別涉及一種具備3:1寬範圍直流輸入DC/DC電源。
背景技術：
目前市場上DC/DC電源的種類很多，然而它們的輸入範圍普遍不夠寬，通常輸入最高電壓Umax與最低電壓Umin的比值，即Umax/Umin為2，例如輸入為9V-18V、18V-36V等。而對很多特殊應用的場合，該輸入範圍很難滿足用戶需求，比如礦用車輛系統，該系統主要由發電機供電，電機的輸出電壓時常大幅度地變化，所以客觀上要求DC/DC模塊電源具備較寬的工作範圍，而市面上同類產品顯然無法滿足其要求。正是基於此，我們要開發出一款具備3:1寬範圍直流輸入DC/DC電源模塊，以填補市場空白，適應這些特殊應用場合。當然同時它也能滿足常規使用，可謂「一機多用」。本發明想要實現如何在較寬的輸入範圍內，比如3:1的時候，給系統各控制模塊穩定地供電，使系統可以正常工作。如何在較寬的輸入範圍內，保證電源的工作狀態的穩定，並在輸入大幅變動時，實現快速響應，保證輸出的質量。

發明內容
為了解決現有技術中DC/DC電源無法提供較寬的工作範圍的問題，本發明提供一種電源控制電路，用於直流寬範圍輸入DC/DC電源中，電源控制電路內部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中，主控部分採用電流型控制，包括誤差放大器、電流比較器、RS觸發器、邏輯控制單元、柵極驅動器；電源管理模塊包括基準電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。根據本發明的一個方面，在主控部分，電壓誤差採樣信號與給定的基準電壓在電壓誤差放大器比較放大後輸出，而後將電流誤差信號與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發器的R端，RS觸發器的S端連接一個振蕩器，RS觸發器的輸出信號傳輸到一個邏輯控制單元，以此來控制柵極驅動器的輸出脈衝的佔空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓變化。根據本發明的一個方面，基準電壓源用於提供內部基準源；欠壓鎖定電路用於提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低於設定的閾值電壓，隨即產生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關斷驅動信號輸出；軟啟動控制器根據欠壓鎖定電路產生的輸出信號對軟啟動斜率進行控制。根據本發明的一個方面，電源控制電路還包括一個鋸齒波發生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。根據本發明的一個方面，電源控制電路中還包括電流閾值保護模塊，通過過電流比較器將過電流採樣信號與基準電流進行比較，比較的結果輸入到軟啟動控制器。本發明還提供了一種直流寬範圍輸入DC/DC電源，包括上述任意一種電源控制電路。
本發明中的電源控制電路以及直流寬範圍輸入DC/DC電源可用在礦用車輛系統及其它特定領域的系統中，具有廣闊的前景。比如在原電池供電系統，對於一個由兩節12V原電池串聯的使用場合，即使電池組電壓下降到初始電壓的50%，該模塊仍可以無故障正常工作，這大大提高了電池的利用效率，經濟效益也十分可觀。


下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。圖1為根據本發明實施例的直流寬範圍輸入電源電路圖。圖2為根據本發明實施例的電源控制電路主控部分框圖。圖3為根據本發明實施例的電源控制電路電源管理模塊框圖。圖4為根據本發明實施例的電源控制電路框圖。圖5為根據本發明實施例的電源控制電路電流閾值保護模塊。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。根據本發明的優選實施例，參見附圖1，直流寬範圍輸入DC/DC電源在輸入端設計有整流橋BD1。這樣一來，既能實現直流無極性輸入，又能通過低壓交流供電，拓展了應用場合，並增加了使用的靈活性。整流橋後接有輸入濾波電容Cl和C2，用於濾除輸入端引入的幹擾噪音，並給DC/DC變換提供一個相對穩定的輸入電壓。直流寬範圍輸入DC/DC電源主要由電源控制電路實現控制功能，配合分立元件構成的電路，提供穩定的輸出電源。本發明中的電源控制電路是個獨立的技術方案，能夠實現對電源電路的控制，可以單獨的用在不同的電源電路中，實現對電源輸出電流及電壓的控制。先介紹電源控制電路外接的電路，後面介紹其各功能模塊。在電源控制電路外圍，SS埠外接一電容C7到GND，控制輸出電壓啟動時的上升速度，此電容還用於故障後重新啟動時間的控制；ITH為誤差放大器補償埠，其與GND之間接有電容C9，還並接有電容C8與電阻R12的串聯電路；FB埠接收通過光耦合器EL817從輸出側傳輸到輸入側的輸出電壓誤差信號，光耦合器EL817和埠 FB之間連接有電阻R16，FB埠與GND之間連接有電容Cll和電阻R17 ；FS外接一電阻R15到GND，用以設置工作頻率；RUN埠通過外接電容ClO連接到GND，並通過R18連接到光耦合器EL817 U3A ；SYN埠可用於連接外部的同步信號，這裡直接接GND ; IS埠通過R14和R13連接到GND，它有兩個功能，對電流型控制，它監視開關電流，由外部電阻檢測取樣，另一功能做斜率補償；CC埠直接接GND ；0UT端為驅動輸出端，外接NMOS-FET Ql和Q2的柵極，Ql和Q2的源極通過電阻R13連接到GND，漏極連接到變壓器Tl初級側的抽頭S2，並連接到二極體Dl的正極，Dl的負極通過電阻R7和電容C4的並聯電路連接到整流橋BDl的輸出端以及變壓器Tl初級側的抽頭SI，其電平範圍從VCC到GND ；VCC通過電阻Rl、R2、R3和R4連接到整流橋BDl的輸出端，其中，Rl和R2並聯後與R3和R4的並聯電路相串聯；VCC與GND之間還連接有電容C3和三端可調分流基準源TL431，TL431的另一端連接在電阻R5和R6之間，R5的另一端連接VCC，R6的另一端連接GND ；VCC還通過電阻R8和二極體D2連接到變壓器Tl初級側的抽頭S3，電容C5連接到二極體D2負極和電阻R8的連接點，變壓器Tl初級側的抽頭S4接GND。在變壓器的次級側，抽頭S5通過肖特基二極體D4、D5以及電阻R23和電容C14的串聯電路相併聯的電路連接到輸出埠 J2，輸出埠 J2的I腳和2腳之間連接有電容C15和C16，2腳與變壓器Tl次級側的抽頭S6相連並接到GND，I腳通過電阻R22連接光耦合器EL817 U3B的正極，I腳還通過R20和R21的串聯電路接GND，光耦合器U3B的負極與GND之間接三端可調分流基準源TL431，光耦合器U3B的負極與三端可調分流基準源TL431的另一端之間連接有電容C13和電阻R19的串聯電路。接下來，我們對電源控制電路的組成部分做進一步的介紹。電源控制電路內部主要由電源管理模塊和主控部分組成。主控部分採用電流型控制。其組成模塊有誤差放大器、電流比較器、RS觸發器、邏輯控制單元、柵極驅動器。具體工作原理如下電壓誤差採樣信號(FB)與給定的基準電壓在電壓誤差放大器比較放大後輸出，而後將電流誤差信號(I SENSE)與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發器的R端，RS觸發器的S端連接一個振蕩器，RS觸發器的輸出信號傳輸到一個邏輯控制單元，以此來控制柵極驅動器的輸出脈衝(OUT)的佔空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓(FB)變化。功能模塊如圖2所示。與之前的電壓控制型電源系統相比較，電流控制型系統保留了電壓控制型系統的輸出電壓反饋環節，同時又增加了一個電流反饋環節。這樣一來，整個系統由原先的一階系統演變為二階系統，大大提高了系統性能。當輸入電壓或負載等有擾動時，系統輸出端抑制擾動的能力增強，只要迴路中電流稍有變化，不必等到輸出電壓變化，就能進行自動調節，相當於有輸出電壓微分反饋特性。因此電流型控制系統具備更快的響應速度和更可靠的穩定性。鑑於以上優點，採用了電流型控制方案。為保證電路在相對較低的電壓啟動，提供一組比較精確的基準電壓，並具備足夠的驅動能力和完善的供電保護機制，需增加系統電源管理模塊。其功能模塊如圖3所示。電源管理模塊包括基準電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。電源管理模塊給驅動電路供電。基準電壓源用於提供內部基準源；欠壓鎖定電路用於提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低於設定的閾值電壓，隨即產生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關斷驅動信號輸出；軟啟動控制器根據欠壓鎖定電路產生的輸出信號對軟啟動斜率進行控制。參見附圖4可見，電源控制電路主要由電源管理模塊和主控部分組成。在ITH端的電壓控制著由振蕩器形成的脈衝寬度調製。此時，ITH端還設置一個電流比較器的觸發閾值，電流比較器的ISENSE端輸入監視外部電流檢測電阻(串在MOSFET源極的)上的電壓，在每個工作周期開始時，振蕩器設置RS觸發器，令外部功率MOSFET導通，隨著通過外部功率MOSFET的電流上升，ISENSE端電壓也上升，電流比較器在達到保護電平時，即將SR復位，關閉外部功率MOSFET。從FB端通過誤差放大器、電流比較器和RS觸發器執行了一個完整的閉環電流型控制，從而保持輸出電壓穩定。此外，電源控制電路還包括一個鋸齒波發生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。要使電源可靠工作，首先要解決的無疑是如何實現可靠地供電。考慮到本案輸入電壓最低為10V，若採用獨立輔助電源給電源控制部分供電，則輔助電源同樣也必須在輸入大幅變化時保證穩定的輸出，這顯然要增加電路的複雜性，同時也提高了成本。與此同時我們注意到，電源控制部分本身的能耗很低，且主要集中在輸出驅動脈衝(OUT)上。鑑於以上考慮，選用固定DC電壓來啟動電路工作。電路啟動後，變壓器中的反饋繞組經整流濾波輸出具備一定穩壓精度的電壓，將其做進一步穩壓處理即可取代啟動DC電壓電路給系統供電。啟動DC電壓穩壓和反饋供電穩壓可通過一塊TL431來實現。德州儀器公司(TI )生產的TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf (2.5V)到36V範圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為O. 2 Ω，在很多應用中用它代替齊納二極體，它具備如下特性
■可編程輸出電壓2. 5V 36V
■電壓參考誤差±0. 4%，典型值@25°C (TL431B)
■低動態輸出阻抗0·22Ω (典型值)
■等效全範圍溫度係數50 ppm/°C (典型值)
■溫度補償操作全額定工作溫度範圍 ■輸出電流1. O—100暈安 ■最大輸入電壓為37V ■最大工作電流150mA ■內基準電壓為2. 5V。儘管輸入電壓範圍較寬，但由於啟動電流不大，TL431電路完全可以提供一個較為精確的穩壓輸出。隨之，啟動和供電部分電路迎刃而解。TL431是許多工程師熟知的一款晶片，其應用電路相對簡單，此處不再贅述。具體連接電路參見附圖1。開機後，系統內部振蕩器通過FS外接的電阻設定的頻率開始振蕩，SYNC用於外部脈衝信號輸入，此處不用。輸入電壓經限流電阻後經TL431電路穩壓給電源控制電路提供供電電壓，從而啟動電路工作，而後由反饋繞組濾波穩壓取代啟動電路給系統供電。電源管理模塊可檢測供電電壓的變化，在供電出現異常時，通過邏輯控制單元停止信號輸出。開機瞬間，由於輸出電壓還沒來得及建立，所以存在一個較大的輸出誤差信號，如果沒有軟啟動措施，會引發控制迴路超調，經若干個周期才能進入穩態。為此增加系統軟啟動功能,在軟啟動過程中，內部恆流源對SS端外接的對地的電容充電,並以電容電壓作為誤差信號控制佔空比，進而逐步建立起輸出電壓，避免了開機瞬間的衝擊和超調。電路啟動進入穩態後，輸出電壓誤差信號通過光耦傳輸到初級側，經分壓後輸入到的FB端，為避免輸出傳輸噪聲和電路自身噪聲幹擾，在FB加一旁路電容對地。ITH為電壓誤差放大器的輸出，它對地接阻容補償網絡來補償系統輸出誤差信號的頻率響應。初級側則通過接在N-MOS管源極對地的過流電阻來對輸入側電流採樣，後經電阻輸入到IS端作為電流誤差信號。該電流誤差信號除作為脈寬調製的變量外，還用來實現過流及短路保護。電源控制電路內部先將輸出誤差信號和內部基準進行比較放大，從而輸出電流基準信號。該電流基準信號再與電流誤差信號進行比較放大輸出總誤差信號，該誤差信號和鋸齒波進行比較後輸出PWM調製信號，控制佔空比的改變，進而調整輸出電壓穩定在預設值。這就是系統自身採用的雙環閉環控制模式，既能實現穩定的電壓輸出，又可以有效控制電流的波動，極大增強了系統的可靠性。本發明實施例中的電源實現的技術參數如下
輸入DC 10V-30V
輸出DC18V/1A 具備輸出本安保護特性 輸入對輸出耐壓等級為1500V 輸入、輸出對外殼耐壓等級為500V 具備輸入防反措施 整體溫度不超過100度 輸出紋波≤200mV 負載調整率≤5%。可選地，為了實現完備的電流保護，電源控制電路中還可增加電流閾值保護模塊，如圖5示。通過過電流比較器將過電流採樣信號與基準電流進行比較，比較的結果輸入到軟啟動控制器。由於主控部分已經具備電流採樣信號保護功能，此功能暫時未使用。輸出側採用肖特基整流和電容濾波後即可產生穩定的輸出電壓。輸出側的誤差信號檢測有經典的TL431+光耦的方式實現，前面已經描述了，此處不 再詳解。本發明的DC/DC電源模塊能夠實現具有3:1的寬範圍直流輸入，可用在礦用車輛系統、原電池供電系統等系統中，具備廣闊的前景。比如在原電池供電系統，對於一個由兩節12V原電池串聯的使用場合，即使電池組電壓下降到初始電壓的50%，該模塊仍可以無故障正常工作，這大大提高了電池的利用效率，經濟效益十分可觀。
雖然已在具體實施方案中描述了本發明的實施方案及其各種功能組件，但是應當理解，可以用硬體、軟體、固件、中間件或它們的組合來實現本發明的實施方案，並且本發明的實施方案可以用在多種系統、子系統、組件或其子組件中。本發明的每個實施例都可以與其它的實施例中的器件相互進行組合，而不是孤立的、單一的實施例，所有實施例之間都可以相互融合而形成新的實施例或者不同的解決方案。雖然本發明已經詳細的示出並描述了一個相關且特定的實施範例參考，但本領域的技術人員應該能夠理解，在不背離本發明的精神和範圍內可以在形式上和細節上作出各種改變。這些改變都將落入本發明的權利要求所要求保護的範圍。
權利要求
1.一種電源控制電路，用於直流寬範圍輸入DC/DC電源中，其特徵在於電源控制電路內部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中，主控部分採用電流型控制，包括誤差放大器、電流比較器、RS觸發器、邏輯控制單元、 柵極驅動器；電源管理模塊包括基準電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。
2.如權利要求1中的電源控制電路，其特徵在於在主控部分，電壓誤差採樣信號與給定的基準電壓在電壓誤差放大器比較放大後輸出，而後將電流誤差信號與電壓誤差放大器的輸出信號在電流比較器進行比較放大，電流比較器的輸出信號輸入一個RS觸發器的R端,RS觸發器的S端連接一個振蕩器,RS觸發器的輸出信號傳輸到一個邏輯控制單元，以此來控制柵極驅動器的輸出脈衝的佔空比，使輸出的電流跟隨誤差電壓變化。
3.如權利要求1中的電源控制電路，其特徵在於基準電壓源用於提供內部基準源；欠壓鎖定電路用於提供欠壓鎖定功能，一旦供電電壓低於設定的閾值電壓，隨即產生一個電平信號輸送到邏輯控制單元，關斷驅動信號輸出； 軟啟動控制器根據欠壓鎖定電路產生的輸出信號對軟啟動斜率進行控制。
4.如權利要求1中的電源控制電路，其特徵在於電源控制電路還包括一個鋸齒波發生器，以及與誤差放大器輸出端相連的輸出嵌位電路。
5.如權利要求1中的電源控制電路，其特徵在於電源控制電路中還包括電流閾值保護模塊，通過過電流比較器將過電流採樣信號與基準電流進行比較，比較的結果輸入到軟啟動控制器。
6.一種直流寬範圍輸入DC/DC電源，其特徵在於包括如權利要求1_5任意一項中的電源控制電路。
全文摘要
為了解決目前DC/DC電源輸入範圍普遍不夠寬的問題，本發明提供了一種電源控制電路及3:1寬範圍直流輸入DC/DC電源，電源控制電路內部主要由電源管理模塊和主控部分組成，其中，主控部分採用電流型控制，包括誤差放大器、電流比較器、RS觸發器、邏輯控制單元、柵極驅動器；電源管理模塊包括基準電壓源、軟啟動控制器、欠壓鎖定電路。
文檔編號H02M3/335GK103036439SQ201210542160
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者賈華忠, 張澤忠, 張經, 高波 申請人:山西科達自控工程技術有限公司