CN102130595A - 一种后置预稳压dc/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
一种后置预稳压DC/DC变换器主要用来实现对功率变压器输出的电压波形实现预调整，达到输出大电流、多输出的目的，它主要包含浪涌抑制电路(1)、滤波器(2)、(4)、主功率回路(3)、主控制电路(5)、相位同步电路(6)，后级调整控制电路(7)。浪涌抑制电路(1)开机时实现对输入浪涌电流的限制，滤波器(2)、(4)实现电路的滤波并减小变换器的EMI，主功率回路(3)完成输入、输出电压的变化和隔离，相位同步电路(6)实现后级调整控制电路(7)与主控制电路(5)相同步的驱动脉冲，后级调整电路(8)完成对输出电压的调整，该变换器中所有电感器、变压器均可以采用多层PCB变压器技术来实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种后置预稳压DC/DC变换器，可以广泛应用于航天电子产品所需要供电的电子设备中，也可以应用于地面、民用电子设备中。
背景技术
随着航天技术的飞速发展，航天器电源系统的功率容量不断增加，通信系列卫星的功率从(2～3)kW增加到(8～10)kW，最新一代的大容量通信卫星的功率将增加到(20～30)kW，设计寿命由8年增加到15年。此外，大量的数字信号处理芯片的使用大大提高了卫星的使用功能，而这些数字信号处理芯片的供电电压越来越低，所需的电流越来越大。为了解决这个问题，采用后置预稳压DC/DC变换器的设计方法受到重视。
“Multiple Output lsolated Power Supply Achieves High Efficiencywith Secondary Side Synchronous Post Regulator”(http://www.linear.com/go/dnLT3710)虽然给出了一种输入、输出多输出带后置预稳压隔离的DC/DC的设计，但是由于采用光藕进行隔离，该种方式无法在国内航天领域内使用，因为采用光藕在某段电压范围内的近似线性来设计，使输出误差变大，当光藕受到空间粒子辐照，其线性度变差甚至不稳定时，会给DC/DC变换器带来致命的故障，因此不能满足航天使用。
经检索国内外相关文献，未见有关该种DC/DC变换器的报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种航天器及地面电子设备用的DC/DC变换器，该DC/DC变换器可以提供大电流、多输出、高调整率的输出电压。
本发明的技术解决方案是：一种后置预稳压DC/DC变换器，包括：主功率回路3、主控制电路5、后级电压调整管M2，续流二极管D0，相位同步电路6，后级调整电路7；
主控制电路5对主功率回路3进行定频定脉宽控制，主功率回路3对外部的输入电压进行变换后隔离输出；相位同步电路6检测主功率回路3的输出电压波形，根据检测的输出电压波形产生同步脉冲提供给后级调整控制电路7，后级调整控制电路7产生驱动脉冲驱动后级电压调整管M2，进而同步调节主功率回路3的输出，达到输出电压控制的目的；续流二极管D0的阴极连后级电压调节功率管M2的源极，续流二极管D0的阳极与输出地相连；所述的相位同步电路6利用单稳态触发电路实现了后级调整电路7的驱动波形与主控制电路5相同步，使后级调整控制电路7可以同步调节主功率回路3中主功率变压器T1的输出，进而达到对输出电压的调整。
还包括浪涌抑制电路1、输入滤波器2、输出滤波器4；浪涌抑制电路1用于抑制变换器开机时的浪涌电流，输入滤波器2和输出滤波器4分别用于对输入、输出进行滤波，以减小电磁干扰。
所述的相位同步电路6包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、与非门U1、与非门U2、电容C7、二极管D3；电阻R13和电阻R14对主功率变压器T1的幅边输出电压进行分压，电阻R13一端接主功率变压器T1绕组N2的同名端，电阻R13的另一端串联电阻R14，电阻R14的另外一端接输出地，二极管D3的一端、电阻R15一端分别接在电阻R13和电阻R14的分压点，二极管D3的另一端接输出地，电阻R15的另外一端接电容C7的一端，电容C7的另外一端接电阻R16和电阻R17的中间，电阻R16一端接电源的供电端，电阻R16另外一端与电阻R17相连，电阻R17的另外一端接输出地，与非门U1的两个输入端连在一起接电阻R15与电容C7的连接处，与非门U1的输出接与非门U2的输入，与非门U2的两个输入接在一起，与非门U2输出接后级调整电路7。
所述的后级调整控制电路7包括电容C8～C12、电容C14～C16、电阻R18～R26、主控制器；电容C16一端接相位同步电路6的输出，另一端串联电阻R20后接入电容C14与电阻R22串接后的连接点，电阻R22的另一端接地，电容C14的另一端接入主控制器的振荡频率RT/CT端；主控制器的参考电压端Vref串联电容C15后接地，电阻R21两端分别连接RT/CT端和Vref端；电阻R23和电容C11串联后与电容C10并联，并联后的两端分别接入主控制器的输出端COMP和反向输入端V-；电容C12一端与电容C10串联，电阻R24一端与电容C11串联后，电容C12另一端与电阻R24的另一端接入电阻R25与电阻R26的中点，电阻R25另一端接地，电阻R26的另一端接变换器的输出电压；主控制器的电流检测端Isense外接电阻R19和电容C9，电阻R19的另一端接外部电流检测电路，电容C9的另一端接地；主控制器的输出脉冲端OUT外串接电阻R18和电容C8后接外部驱动电路，由外部驱动电路驱动后级调整功率管M2。
所述的主控制电路5包括电阻R3～R11，电容C3～C6，稳压二极管D2，三极管Q1，主控制器；主控制器的RT/CT端通过外接电阻R7、电容C6以决定工作频率，电阻R7另外一端接参考电压Vref，电容C6另外一端接输出地，Isense外接一个由电阻R6，电容C4组成滤波电路，滤波电阻R6另外一端接电阻R12的上端，电阻R12的下端接输入电源的地，电容C4另外一端接输出地，构成对检测到的电流进行滤波，主控制器的OUT端外接电阻R5，电阻R5的另外一端直接接到主功率回路3中功率管M1的门极，主控制器内部运算放大器通过外接电阻R8、R9、R10、R11组成一个调节器，其中R8直接接在主控制器的反向输入端V-和主控制器的输出端COMP，电阻R9的一端接V-，另外一端接在电阻R10、电阻R11的中点，电阻R10的上端接主控制器的基准电压，电阻R11的下端接变换器的输入地；主控制器的供电电路由电阻R3、电阻R4、稳压二极管D2、三极管Q1、电容C3组成，电阻R3一端接输入滤波器2的输出，另外一端接三极管Q1的集电极，电阻R4一端接输入滤波器2的输出，另外一端接三极管Q1的基极，稳压二极管D2的阴极接三极管Q1的基极，阳极接地，三极管Q1的发射极接电容C3的一端，同时接主控制器的供电端，电容C3另外一端接输入地。
所述的主功率变压器T1采用多层PCB变压器技术。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用先进的磁隔离反馈技术，避免了采用传统光藕隔离因为空间辐照给DC/DC变换器带来的不稳定和早期失效等影响。
(2)本发明采用了浪涌抑制电路和滤波电路，有效的抑制了变换器在开机的时候的浪涌电流，避免了对大电流后级电路的冲击，减小了输入源的输出电流，同时输入、输出的滤波器可以有效的抑制变换器的电磁干扰，使整个DC/DC变换器满足相关电磁兼容的要求。
(3)本发明采用的相位同步电路，为整个DC/DC变换器的磁隔离设计提供了便利，同时该电路处理后的同步脉冲可以很好同步后级调整电路的驱动脉冲，为输出电压的高调整率打下了基础。
(4)本发明采用变压器的多输出绕组，通过配置相同的相位同步电路，后级调整电路，后级调整功率管和输出滤波电路即可完成另外一路高调整率和大电流的输出，使高调整率和大电流多输出的设计简单。
附图说明
图1为本发明简图；
图2为本发明浪涌抑制电路图；
图3为本发明主控制电路图；
图4为本发明相位同步电路图；
图5为本发明后级调整电路图；
具体实施方式
如图1所示，本发明DC/DC变换器，包括浪涌抑制电路1、输入滤波器2、输出滤波器4、主功率回路3、相位同步电路6、后级调整电路7；浪涌抑制电路1的输入接DC/DC变换器的输入，其输出接输入滤波器2输入，输入滤波器2由电感器L1、电容C2组成，电感器L1的左端接浪涌抑制电路1的输出，右端接电容C2的上端，C2的下端接地，输入滤波器2的滤波结构可以有多种，可以采用图1的LC滤波，也可以采用多个类似的滤波器串联，输入滤波器2的输出接主功率回路3的输入，输入滤波器2对主功率回路3开关工作时产生的纹波进行滤波，一方面减少对输入的反射纹波，另外一方面可以减小该后置预稳压DC/DC变换器的EMI；
主功率回路3主要完成电压的变换和隔离，将输入电压变换为所要求的输出电压，并通过变压器T1实现输入和输出的磁隔离，输出通过后级调整功率管M2、续流二极管D0后接输出滤波器4的输入；主功率回路3由变压器T1、主功率管M1组成，变压器T1有两个绕组N1、N2，绕组N1是变压器T1的原边绕组，上端(同名端)与输入滤波器2中电容C2的上端相连，下端(异名端)与主功率管M1的上端(漏极)相连、绕组N2是变压器T1的副边绕组，它的上端(异名端)与后级电压调节功率管M2的上端(漏极)相连，下端(同名端)与输出地相连，后级电压调节功率管M2的下端(源极)与二极管D0上端(阴极)相连，同时接输出滤波电感L2的左端，后级二极管D0下端(阳极)与输出地相连，L2的右端连接电容C17的上端，输出滤波电容C17的下端与输出地相连，L2、C17组成的输出滤波器4，也可以采用多个类似的滤波器串联，主功率回路3按照不同的功率和设计要求可以采用不同的功率拓扑结构，同样T1的绕组也有多组，整流所采用的方式根据不同的拓扑结构也不相同，主功率回路3的输出就是整个DC/DC变换器的输出供给负载使用。输出滤波器4的输入端接后级调整功率管M2、D0的输出，输出端可以直接供给负载；
如图2所示，为本发明浪涌电流抑制电路图，输入浪涌抑制电路1和输入滤波器2串联，对输入电流进行抑制，使开机时，输入电流限制在某各固定的值，具体连接关系如下：
电阻R1通过输入电源对启动电容C1充电来缓慢启动功率管M0，启动电容C1和稳压二极管D1、电阻R2并联直接接在功率管M0的门极，功率管M0的源极与启动电容C1和稳压二极管D1、电阻R2的另外一端相连，最后和输入电源的地相连，功率管M0的漏极与输入滤波器2的地相连，构成DC/DC变换器的输入地，根据所要达到的不同的浪涌电流，可以改变启动电容C1的大小达到这个目的。
如图3所示，为本发明主控制电路图，主控制电路5完成DC/DC变换器的前级电压变换控制和隔离，使输入和输出在电气上隔离；主控制器的功能一般包括：RT/CT(决定震荡频率)，Vref(提供参考电压)，Isense(电流检测)，OUT(输出脉冲)，VCC(提供主控制器工作电压)，V-(内部运算放大器的反向输入端)，COMP(内部运算放大器的输出端)，GND(主控制器地)，RT/CT通过外接定时电阻R7、定时电容C6以决定工作频率，电阻R7另外一端接参考电压Vref，定时电容C6另外一端接输出地，Isense外接一个简单的由滤波电阻R6，滤波电容C4组成滤波电路，滤波电阻R6另外一端接取样电阻R12的上端，电阻R12的下端接输入电源的地，滤波电容C4另外一端接输出地，构成对检测到的电流进行滤波，OUT端外接一个小电阻R5，电阻R5的另外一端可以直接接到功率管M1的门极，主控制器的内部运算放大器通过外界电阻R8、R9、R10、R11组成一个调节器，其中R8直接接在V-(内部运算放大器的反向输入端)和COMP(内部运算放大器的输出端)两端，电阻R9的一端接V-(内部运算放大器的反向输入端)，另外一端接在分压电阻R10、R11的中点。电阻R10的上端接控制芯片的基准电压，电阻R11的下端接变换器的输入地，根据不同的主功率回路3选用的拓扑结构以及输出滤波器的结构不同，主功率管的占空比也可以发生相应的变化，分别调整分压电阻R10、R11的大小可以实现所要求的不同占空比压。主控芯片的供电电路由电阻R3、R4、稳压二极管D2、三极管Q1、电容C3组成，电阻R3一端接输入滤波器2的输出，另外一端接三极管Q1的集电极，电阻R4一端接输入滤波器2的输出，另外一端接三极管Q1的基极，稳压二极管D2的阴极接三极管Q1的基极，阳极接地，三极管Q1的发射极接电容C3的一端，同时接主控芯片的供电端，电容C3另外一端接输入地，这样就可以实现整个芯片的供电，本实施例中的主控制器选用TI公司的UC1845。
如图4所示，为本发明相位同步电路图，相位同步电路6用来检测变压器T1副边的输出电压波形，通过对该幅值变化、占空比(接近50％)恒定的波形进行处理，得到一个幅值稳定、占空比(不大于10％)的脉冲，该脉冲为后级调整电路7提供同步信号；相位同步电路6主要由电阻R13、R14、R15、R16、R17、与非门U1、U2组成，电阻R13和R14对变压器幅边输出电压进行分压电阻R13一端接变压器T1绕组N2的上边(同名端)，电阻R14的另外一端接输出地，电阻R14和二极管D3并联，二极管D3的阳极接输出地，阴极接电阻R13和R14的连接点，电阻R15接在电阻R13和R14的分压点，另外一端接电容C7的一端，电容C7的另外一端接电阻R16和R17的中间，电阻R16一端接电源的供点端，另外一端与电阻R17相连，电阻R17的另外一端接输出地，与非门U1的两个输入端连在一起接电阻R15与电容C17的连接处，输出接与非门U2的输入，与非门U2的两个输入接在一起，其输出接过后级调整电路7中的电容C16。
如图5所示，为本发明后级调整电路图，后级调整电路7用来控制后级调整功率管M2，它对输出进行采样，通过内部的补偿回路补偿后输出，同时利用相位同步电路6发过来的同步脉冲同步副边的驱动脉冲，完成后级输出电压的调整。后级调整电路7中的主控制器及控制芯片的功能一般包括：RT/CT(决定震荡频率)，Vref(提供参考电压)，Isense(电流检测)，OUT(输出脉冲)，VCC(提供主控制器工作电压)，V-(内部运算放大器的反向输入端)，COMP(内部运算放大器的输出端)，GND(主控制器地)，RT/CT通过外接定时电阻R21、定时电容C14以决定工作频率，电阻R21另外一端接参考电压Vref，定时电容C14另外一端接电阻R22，电阻R22的另外一端接输出地，Isense外接一个简单的由滤波电阻R19，滤波电容C9组成滤波电路，滤波电阻R19另外外部通用电流检测电路，该通用电流检测电路检测调整功率管M2中流过的电流，滤波电容C9另外一端接输出地，构成对检测到的电流进行滤波，OUT外接一个小电阻R18串联隔直滤波电容C8组成驱动电路，其中隔直滤波电容C8另外一端接外部通用驱动电路，该通用驱动电路用来驱动后级调整功率管M2，内部运算放大器通过外界电阻R23、R24、电容C10、C11，组成一个调节器，其中电容C11与电阻R23和电容C10串联后并联，电容C12与电阻R24并联，两者串联后，后者的一端接在分压电阻R25、R26的中点。电阻R26的上端接变换器的输出电压，电阻R25的下端接变换器的输出地，外部补偿器的结构可以根据补偿方式不一样发生相应的变化，分别调整分压电阻R25、R26的大小可以实现所要求的不同输出电压。本实施例中的控制芯片选用TI公司的UC1845。
如图1所示的变压器T1，电感器L1、电感器L2可以通过传统的设计来完成，也可以通过PCB变压器技术来实现。
多输出的设计方案与此同，只需要在主功率变压器T1的幅边增加一个绕组，加入相同的相位同步电路6，后级调整电路7，后级调整功率管M2、续流二极管D0和输出滤波电路4即可完成另外一路高调整率和大电流的输出。
采用本发明实现的DC/DC变换器，大大节省了PCB的空间，提高了PCB利用率，有利于提高变换器的效率和输出动态性能，可广泛应用于要求高可靠、多输出，低电压、大电流、高效率、体积小、重量轻、低输出纹波的直流变换场合。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于包括：主功率回路(3)、主控制电路(5)、后级电压调整管M2，续流二极管D0，相位同步电路(6)，后级调整电路(7)；
主控制电路(5)对主功率回路(3)进行定频定脉宽控制，主功率回路(3)对外部的输入电压进行变换后隔离输出；相位同步电路(6)检测主功率回路(3)的输出电压波形，根据检测的输出电压波形产生同步脉冲提供给后级调整控制电路(7)，后级调整控制电路(7)产生驱动脉冲驱动后级电压调整管M2，进而同步调节主功率回路(3)的输出，达到输出电压控制的目的；续流二极管D0的阴极连后级电压调节功率管M2的源极，续流二极管D0的阳极与输出地相连；所述的相位同步电路(6)利用单稳态触发电路实现了后级调整电路(7)的驱动波形与主控制电路(5)相同步，使后级调整控制电路(7)可以同步调节主功率回路(3)中主功率变压器T1的输出，进而达到对输出电压的调整。
2.根据权利要求1所述的一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于：还包括浪涌抑制电路(1)、输入滤波器(2)、输出滤波器(4)；浪涌抑制电路(1)用于抑制变换器开机时的浪涌电流，输入滤波器(2)和输出滤波器(4)分别用于对输入、输出进行滤波，以减小电磁干扰。
3.根据权利要求1或2所述的一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于：所述的相位同步电路(6)包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、与非门U1、与非门U2、电容C7、二极管D3；
电阻R13和电阻R14对主功率变压器T1的幅边输出电压进行分压，电阻R13一端接主功率变压器T1绕组N2的同名端，电阻R13的另一端串联电阻R14，电阻R14的另外一端接输出地，二极管D3的一端、电阻R15一端分别接在电阻R13和电阻R14的分压点，二极管D3的另一端接输出地，电阻R15的另外一端接电容C7的一端，电容C7的另外一端接电阻R16和电阻R17的中间，电阻R16一端接电源的供电端，电阻R16另外一端与电阻R17相连，电阻R17的另外一端接输出地，与非门U1的两个输入端连在一起接电阻R15与电容C7的连接处，与非门U1的输出接与非门U2的输入，与非门U2的两个输入接在一起，与非门U2输出接后级调整电路(7)。
4.根据权利要求1或2所述的一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于：所述的后级调整控制电路(7)包括电容C8～C12、电容C14～C16、电阻R18～R26、主控制器；
电容C16一端接相位同步电路(6)的输出，另一端串联电阻R20后接入电容C14与电阻R22串接后的连接点，电阻R22的另一端接地，电容C14的另一端接入主控制器的振荡频率RT/CT端；主控制器的参考电压端Vref串联电容C15后接地，电阻R21两端分别连接RT/CT端和Vref端；电阻R23和电容C11串联后与电容C10并联，并联后的两端分别接入主控制器的输出端COMP和反向输入端V-；电容C12一端与电容C10串联，电阻R24一端与电容C11串联后，电容C12另一端与电阻R24的另一端接入电阻R25与电阻R26的中点，电阻R25另一端接地，电阻R26的另一端接变换器的输出电压；主控制器的电流检测端Isense外接电阻R19和电容C9，电阻R19的另一端接外部电流检测电路，电容C9的另一端接地；主控制器的输出脉冲端OUT外串接电阻R18和电容C8后接外部驱动电路，由外部驱动电路驱动后级调整功率管M2。
5.根据权利要求1或2所述的一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于：所述的主控制电路(5)包括电阻R3～R11，电容C3～C6，稳压二极管D2，三极管Q1，主控制器；
主控制器的RT/CT端通过外接电阻R7、电容C6以决定工作频率，电阻R7另外一端接参考电压Vref，电容C6另外一端接输出地，Isense外接一个由电阻R6，电容C4组成滤波电路，滤波电阻R6另外一端接电阻R12的上端，电阻R12的下端接输入电源的地，电容C4另外一端接输出地，构成对检测到的电流进行滤波，主控制器的OUT端外接电阻R5，电阻R5的另外一端直接接到主功率回路(3)中功率管M1的门极，主控制器内部运算放大器通过外接电阻R8、R9、R10、R11组成一个调节器，其中R8直接接在主控制器的反向输入端V-和主控制器的输出端COMP，电阻R9的一端接V-，另外一端接在电阻R10、电阻R11的中点，电阻R10的上端接主控制器的基准电压，电阻R11的下端接变换器的输入地；主控制器的供电电路由电阻R3、电阻R4、稳压二极管D2、三极管Q1、电容C3组成，电阻R3一端接输入滤波器(2)的输出，另外一端接三极管Q1的集电极，电阻R4一端接输入滤波器(2)的输出，另外一端接三极管Q1的基极，稳压二极管D2的阴极接三极管Q1的基极，阳极接地，三极管Q1的发射极接电容C3的一端，同时接主控制器的供电端，电容C3另外一端接输入地。
6.根据权利要求3所述的一种后置预稳压DC/DC变换器，其特征在于：所述的主功率变压器T1采用多层PCB变压器技术。
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