CN102710134A - 一种具有防反功能的模块化供电装置及防反控制电路 - Google Patents

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魏学业
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Abstract

本发明公开一种具有防反功能的模块化供电装置及防反控制电路，在现有的开关电源模块输出端增加隔离电路和防反控制电路，通过防反控制电路控制隔离电路的工作状态，进而使开关电源模块的输出可控。该技术方案电路结构简单可靠，可实现开关电源模块无振荡的平滑切换，提高了模块效率，提高了模块负载调整率。

Description

一种具有防反功能的模块化供电装置及防反控制电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种具有防反功能的模块化供电装置及防反控制电路。
背景技术
随着铁路运输指挥系统智能化、信息化、网络化，铁路信号电源的应用范围逐渐向综合集中供电系统方向发展。目前，铁路信号电源采用标准化的电源模块为铁路设备进行供电。铁路信号模块电源采用两路电源-主-备输入，经交流接触器自动切换后，通过电磁干扰滤波，经过并联均流的高频整流器升压、整流，经过高频(DC/DC)变换为各种直流电源输出，模块电源并联均流输出向继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。铁路信号模块电源一般都工作在多模块并联的N+1或者N+M冗余系统中，模块容量相同，均分负载，如单个模块发生短路、输出欠压或无输出等故障时，为了保证不影响系统的正常输出，使故障模块快速退出供电系统，现有技术中通常是在模块电源输出端加隔离二极管电路实现该功能。图1为现有技术中铁路信号模块电源结构示意图。如图1所示，在铁路信号模块电源的输出端配置连接一个或者多个二极管并联进行隔离，所述隔离二极管可以安装在铁路信号电源模块内部，也可安装在模块外部，假设模块1发生短路、输出欠压或无输出等故障时，所述隔离二极管能够有效防止模块2输出的电压信号反灌倒模块1，使故障模块自动退出供电系统。该技术方案具有电路结构简单可靠，所用器件少的优点，适用于输出小电流供电的模块电源，但是在实际运用中存在以下缺点：1）隔离二极管由于顺向导通压降带来的高损耗，降低了模块效率，同时高损耗带来严重的热问题，导致模块散热器增大，模块体积增大；2）隔离二极管顺向导通压降与负载电流成正比关系，导致模块负载调整率变差；3）隔离二极管自主隔离，不受控，反向恢复导致反向瞬态电流，使输出信号产生振荡；4）多个二极管并联时，负温度系数的二极管将产生严重不均流性，负载集中在个别二极管，导致二极管过热损坏。上述缺点在低压大电流信号电源模块中更加突出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，在现有的开关电源模块输出端增加隔离电路和防反控制电路，通过防反控制电路控制隔离电路的工作状态，进而使开关电源模块的输出可无振荡平滑切换，解决了隔离二极管高损耗，低效率，低负载调整率的问题，以及高损耗低效率带来的温升等问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种具有防反功能的模块化供电装置，所述装置包括开关电源模块，还包括隔离电路单元和防反控制电路单元，所述开关电源模块与隔离电路单元和防反控制电路单元连接，
所述开关电源模块用于将输入的交流信号转换成直流信号输出到隔离电路单元和防反控制电路单元；
所述防反控制电路单元用于对隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；
所述隔离电路单元用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块正常输出或者退出供电。
所述隔离电路单元包括至少一个单极型晶体管；当存在两个或两个以上单极型晶体管时，晶体管并联连接。
所述隔离电路单元采用功率MOSFET晶体管。
所述防反控制电路单元包括信号采集电路、逻辑判断电路和升压电路；
所述信号采集电路用于对所述隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样；
所述逻辑判断电路用于对隔离电路单元的输入端采样电压与输出端采样电压进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，控制升压电路输出高电平；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，控制升压电路输出低电平；
所述升压电路用于根据接收到的逻辑判断电路输出的控制信号通过内部自举电路升压输出规定幅值的电压信号驱动隔离电路单元工作。
所述防反控制电路包括滤波电容，所述电容能够在开关电源模块发生故障时为防反控制电路供电。
所述隔离电路单元通过粘贴的方式连接到PCB板上。
所述隔离电路单元和防反控制电路单元集成在开关电源模块内部；或者，所述隔离电路单元和防反控制电路单元位于开关电源模块外部，开关电源模块的输出端与隔离电路单元和防反控制电路单元连接。
本发明还公开一种具有防反功能的控制电路，所述电路包括隔离电路单元和防反控制电路单元，
所述防反控制电路单元用于对隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；
所述隔离电路单元用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块的工作状态。
所述隔离电路单元包括至少一个单极型晶体管；当存在两个或两个以上单极型晶体管时，晶体管并联连接，所述单极型晶体管采用功率MOSFET晶体管。
所述防反控制电路单元包括信号采集电路、逻辑判断电路和升压电路；
所述信号采集电路用于对所述隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样；
所述逻辑判断电路用于对隔离电路单元的输入端采样电压与输出端采样电压进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，控制升压电路输出高电平；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，控制升压电路输出低电平；
所述升压电路用于根据接收到的逻辑判断电路输出的控制信号通过内部自举电路升压输出规定幅值的电压信号驱动隔离电路单元工作。
采用本发明的技术方案，在现有的开关电源模块输出端增加隔离电路和防反控制电路，通过防反控制电路控制隔离电路的工作状态，进而控制开关电源模块的工作。该技术方案电路结构简单可靠，可实现开关电源模块无振荡的平滑切换，提高了模块效率，提高了模块负载调整率。
附图说明
图1为现有技术中铁路信号模块电源结构示意图；
图2为现有技术中具体实施例的隔离二极管顺向导通压降与负载电流的关系曲线；
图3为本发明具体实施方式提供的具有防反功能的模块化供电装置的原理框图；
图4为本发明具体实施方式提供的具有防反功能的模块化供电装置的具体结构图；
图5为本发明具体实施方式提供的防反控制电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明以标准化的铁路信号模块电源为例进行说明。例如，标准化的铁路信号模块电源输出规格为电压24V，额定电流为75A，峰值电流为82.5A。结合铁路信号模块电源的上述主要参数通过具体实施例进行详细说明。
图3为本发明具体实施方式提供的具有防反功能的模块化供电装置的原理框图。如图3所示，所述具有防反功能的模块化供电装置包括开关电源模块301、隔离电路单元302和防反控制电路单元303，所述开关电源模块301与隔离电路单元302和防反控制电路单元303连接。所述隔离电路单元302和防反控制电路单元303可以集成在开关电源模块301内部；或者，所述隔离电路单元302和防反控制电路单元303位于开关电源模块外部，开关电源模块的输出端与隔离电路单元302和防反控制电路单元303连接。
其中，所述开关电源模块301用于将输入的三相交流信号或者单相交流信号转换成直流信号输出到隔离电路单元302和防反控制电路单元303；所述防反控制电路单元303用于对隔离电路单元302的输入端电压和输出端电压进行采样，并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；所述隔离电路单元302用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块的工作状态。
图4为本发明具体实施方式提供的具有防反功能的模块化供电装置的具体结构图。如图4所示，所述开关电源模块采用两路电源-主-备输入（图中未示出），经交流接触器自动切换后，通过电磁干扰滤波，经过并联均流的高频整流器升压、整流，经过高频(DC/DC)变换为直流电源输出，经电磁干扰滤波，输出24V直流电源给隔离电路单元和防反控制电路单元。所述隔离电路单元包括至少一个单极型晶体管；当存在两个或两个以上单极型晶体管时，单极型晶体管并联连接。所述隔离电路单元采用功率MOSFET晶体管。本实施例中采用N沟道MOSFET功率型晶体管。
所述防反控制电路单元包括信号采集电路、逻辑判断电路和升压电路；所述信号采集电路用于对所述隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样；所述逻辑判断电路用于对隔离电路单元的输入端采样电压与输出端采样电压进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，控制升压电路输出高电平；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，控制升压电路输出低电平；所述升压电路用于根据接收到的逻辑判断电路输出的控制信号通过内部自举电路升压输出规定幅值的电压信号驱动隔离电路单元工作。
当采样后输入端电压与输出端电压的压差大于预设的压差阈值时，防反控制电路单元控制输出规定幅值的高电平，驱动隔离电路单元导通，从而控制与所述隔离电路单元连接的开关电源模块正常输出为负载供电；当采样后输入端电压与输出端电压的压差小于或等于预设的压差阈值时，防反控制电路单元控制输出规定幅值的低电平，使隔离电路单元截止，从而控制与所述隔离电路单元连接的开关电源模块退出为负载供电。
图5为本发明具体实施方式提供的防反控制电路的电路图。所述电路包括隔离电路单元和防反控制电路单元，所述防反控制电路单元用于对隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；所述隔离电路单元用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块的工作状态。如图5所示，所述防反控制电路单元采用具有上述采集、逻辑判断及升压功能的控制芯片。控制芯片适应电压输入范围为9V到80V的宽工作电压，内部有充电自举升压电路，可驱动高位MOSFET晶体管。开关电源模块输出电压为24V，控制芯片供电端VDD接入开关电源模块输出的24V电压信号，C为滤波电容，所述电容能在模块输出短路时短时间内为控制芯片正常供电，防止由于开关电源模块短路造成输出中断。
所述隔离电路单元采用型号为IRF1404PBF超低内阻的低压MOSFET晶体管，其内阻为3.8毫欧，漏源电压VDSS极限值为40V，峰值电流ID为162A。该晶体管为N沟道增强型功率MOSFET晶体管，其栅源电压（VGS）允许的最大电压为20V，驱动门限电压为2～4V，其具有快速开关及全额定雪崩特性。
控制芯片Vin端口以及Vout端口分别连接MOSFET晶体管的输入端（漏极）和输出端（源极），分别对输入端电压和输出端电压进行采样，根据采样后的输入端电压与输出端电压的压差与预设的压差阈值进行逻辑判断：
1）当开关电源模块输出电压值范围在9V～80V时,MOSFET晶体管输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值（如725mv，所述阈值可根据实际需要设置）时,控制芯片Vgate端口输出规定幅值的高电平（输出的高电平要大于MOSFET晶体管的驱动门限电压4V,如12V，）到MOSFET的栅极，驱动MOSFET导通，使得模块正常输出为负载供电；
2）当开关电源模块输出电压值范围在9V～80V时,MOSFET晶体管输入端采样电压与输出端采样电压的压差小于或等于预设的压差阈值（如725mv）时，控制芯片Vgate端口输出规定幅值的低电平（如0V），控制芯片在0.5us内快速关断Vgate,即MOSFET截止，使故障模块退出系统。
通过上述逻辑判断，能够保证模块正常工作；同时，在当前模块发生短路、欠压以及无输出等故障或者由于其他并联模块输出电压倒灌使得与当前模块连接的隔离电路单元输出端电压高于输入端电压时，通过该逻辑判断功能，有效快速断开故障模块，保证系统正常运行。同时，所述防反控制电路简单可靠，芯片内部保护点都有回差，保证切换平滑，无震荡。
本实施例中，控制芯片接入的电压为24V，为了保证输出到MOSFET晶体管栅极的驱动电压不低于12V，控制芯片内部通过自升压的方式将输入端电压进行拉高，输出驱动MOSFET所需要的电压信号。
所述防反控制电路单元还可通过独立运算放大器实现逻辑控制。
本实施例中，隔离电路单元根据实际需要可采用其他普通型号的N沟道功率型MOSFET晶体管。
此外，针对现有技术中存在的缺点，本发明可以很好的解决。
例如现有技术中开关电源模块输出端连接型号为DSA90C200HB的肖特基二极管进行隔离，其耐压范围为200V，根据标准化开关电源模块的参数，不考虑其他因素的情况下，计算隔离二极管对开关电源模块输出效率和负载调整率的影响。
图2为现有技术中具体实施例的隔离二极管顺向导通压降与负载电流的关系曲线。如图2所示，在开关电源模块输出额定电流（75A）时，其对应隔离二极管顺向导通压降VF为1.1V，此时,根据公式（1）计算隔离二极管的导通功率损耗为:
P′＝VF*IOUT＝1.1V*75A＝82.5W                     （1）
根据公式（2）计算开关电源模块额定输出总功率为：
P＝VOUT*IOUT＝24V*75A＝1800W                      （2）
根据公式（3）计算隔离二极管对模块效率的影响：
η＝P′/P*100%=82.5W/1800W*100%=4.5%              （3）
由于隔离二极管的导通功率损耗使模块的效率降低了4.5个百分点，同时高的损耗带来巨大的热问题，为解决热问题需要非常大尺寸散热器进行散热，使模块尺寸增大。
根据图2可知，隔离二极管顺向导通压降VF在模块轻载和重载分别对应0.5V（VF1）和1.1V（VF2），开关电源模块输出电流在轻载和满载时，隔离二极管产生的压差为1.1V-0.5V=0.6V,不考虑其他因素，计算由二极管压差所影响的模块负载调整率为：
负载调整率=（VF2-VF1）/VOUT*100%=0.6V/24V*100%＝2.5%
已经超出规格所要求的1%，如开关电源模块为低压大电流供电模块，隔离二极管方案中上述缺点更加突出。
为了解决现有技术中存在的缺点，本发明实施例中采用5个型号为IRF1404PBF超低内阻的低压功率型MOSFET晶体管，5个晶体管并联连接作为隔离电路，单个MOSFET内阻为3.8毫欧。该MOSFET在工作状态为饱和导通状态，不存在高频开关状态，因此损耗主要在导通损耗上，开关损耗为零。将5只MOSFET并联使用，根据公式（4）计算MOSFET导通功率总损耗为：
P＝I2R＝75A*75A*0.004Ω/5＝4.5W                   （4）
根据公式（5）计算额定总功率：
P＝VOUT*IOUT＝24V*75A＝1800W                      （5）
根据公式（6）计算由5个MOSFET产生的对模块效率的影响：
η＝P′/P*100%=4.5W/1800W*100%=0.25%              （6）
单个MOSFET晶体管损耗为0.9W，该损耗相对于现有技术中隔离二极管的导通损耗82.5W下降了约18倍；由于单个MOSFET损耗只有0.9W,可省去散热片。本方案将MOSFET直接贴在PCB板上进行散热，温升等情况完全符合要求。单个MOSFET晶体管产生的管压降为VF＝I′OUT*R＝75A/5*0.004＝0.06V,相对于二极管的0.6V下降了约6倍。计算MOSFET产生的压差影响模块的负载调整率为：
负载调整率=VF/VOUT*100%=0.06V/24V*100%＝0.25%,在规格所要求的1%范围内。
现有技术方案和本发明方案的参数指标比较结果如下表，
  隔离二极管方案   防反电路方案
  损耗   82.5W   4.5W
  效率下降   4.58%   0.25%
  顺向压降   0.6V   0.06V
  负载调整率变化   2.50%   0.25%
  散热器   超大尺寸   无
由上表可知，本发明的技术方案相较于现有技术方案，晶体管导通损耗下降了约18倍，模块效率提高了4个百分点，晶体管的顺向压降下降了约6倍，负载调整了提高了2个百分点，而且本发明技术方案不需要使用散热器，直接将晶体管粘贴到PCB板上即可，简化了电路结构。
所述实施例中可以根据实际需要选择不同型号及数量的MOSFET晶体管并联进行隔离。
采用本发明的技术方案，在现有的开关电源模块输出端增加隔离电路和防反控制电路，通过防反控制电路控制隔离电路的工作状态，进而使开关电源模块的输出可控。该技术方案电路结构简单可靠，可实现开关电源模块无振荡的平滑切换，提高了模块效率，提高了模块负载调整率。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有防反功能的模块化供电装置，所述装置包括开关电源模块，其特征在于，所述装置还包括隔离电路单元和防反控制电路单元，所述开关电源模块与隔离电路单元和防反控制电路单元连接，
所述开关电源模块用于将输入的交流信号转换成直流信号输出到隔离电路单元和防反控制电路单元；
所述防反控制电路单元用于对隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；
所述隔离电路单元用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块正常输出或者退出供电。
2.根据权利要求1所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述隔离电路单元包括至少一个单极型晶体管；当存在两个或两个以上单极型晶体管时，晶体管并联连接。
3.根据权利要求2所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述隔离电路单元采用功率MOSFET晶体管。
4.根据权利要求1至3之一所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述防反控制电路单元包括信号采集电路、逻辑判断电路和升压电路；
所述信号采集电路用于对所述隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样；
所述逻辑判断电路用于对隔离电路单元的输入端采样电压与输出端采样电压进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，控制升压电路输出高电平；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，控制升压电路输出低电平；
所述升压电路用于根据接收到的逻辑判断电路输出的控制信号通过内部自举电路升压输出规定幅值的电压信号驱动隔离电路单元工作。
5.根据权利要求4所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述防反控制电路包括滤波电容，所述电容能够在开关电源模块发生故障时为防反控制电路供电。
6.根据权利要求4所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述隔离电路单元通过粘贴的方式连接到PCB板上。
7.根据权利要求1所述的具有防反功能的模块化供电装置，其特征在于，所述隔离电路单元和防反控制电路单元集成在开关电源模块内部；或者，所述隔离电路单元和防反控制电路单元位于开关电源模块外部，开关电源模块的输出端与隔离电路单元和防反控制电路单元连接。
8.一种具有防反功能的控制电路，其特征在于，所述电路包括隔离电路单元和防反控制电路单元，
所述防反控制电路单元用于对隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样并进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，输出高电平信号；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，输出低电平信号；
所述隔离电路单元用于根据所述防反控制电路单元输出的开关量信号进行导通或截止，从而控制与其连接的开关电源模块的工作状态。
9.根据权利要求8所述的具有防反功能的控制电路，其特征在于，所述隔离电路单元包括至少一个单极型晶体管；当存在两个或两个以上单极型晶体管时，晶体管并联连接，所述单极型晶体管采用功率MOSFET晶体管。
10.根据权利要求8或9所述的具有防反功能的控制电路，其特征在于，所述防反控制电路单元包括信号采集电路、逻辑判断电路和升压电路；
所述信号采集电路用于对所述隔离电路单元的输入端电压和输出端电压进行采样；
所述逻辑判断电路用于对隔离电路单元的输入端采样电压与输出端采样电压进行逻辑判断，当输入端采样电压与输出端采样电压的压差大于预设的压差阈值时，控制升压电路输出高电平；当输入端采样电压与输出端采样电压小于或等于预设的压差阈值时，控制升压电路输出低电平；
所述升压电路用于根据接收到的逻辑判断电路输出的控制信号通过内部自举电路升压输出规定幅值的电压信号驱动隔离电路单元工作。
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