CN103095112B

CN103095112B - 一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路

Info

Publication number: CN103095112B
Application number: CN201310034278.6A
Authority: CN
Inventors: 李晖; 马奎安; 陈杉; 辜文婷; 闫金星
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: CN103095112A

Abstract

一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，包括恒流源、储能供电电路、电压采样电路、电流采样电路、误差放大器、比较器和隔离驱动电路。外部供电电源的正端接恒流源的输入端，恒流源的输出端接储能供电电路的一端，储能供电电路的另一端接供电电源的负端，工作在脉冲状态的设备与储能供电电路并联。电压采样电路采集储能供电电路的电压，误差放大器将储能供电电路的电压与设定的参考电压进行比较后输出误差电压至比较器的第一输入端，电流采样电路采集恒流源的输入电流并转换为电压后送至比较器的第二输入端，比较器进行电压比较后输出脉宽调制的控制信号，该控制信号经隔离驱动电路放大后实现对恒流源输入电流大小的控制。

Description

一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路

技术领域

本发明涉及一种脉冲抑制电路。

背景技术

在雷达、电子对抗等应用系统中，设备通常工作在脉冲状态，且脉冲输出功率较大（可达KW级），导致在设备的输入端产生同频率大幅度变化的脉冲电流，当脉冲电流频率较低时（如KHz级），设备内部LC滤波器会失效，脉冲电流将直接传输到一次电源污染供电网络，影响一次侧其他设备的正常工作。

目前，对脉冲电流信号的抑制主要采用两级LC滤波器串联的方式，这种方式存在的主要问题是：当脉冲电流的频率很低时（如180Hz），LC滤波器的体积和重量会变得很大，甚至超过设备本身数十倍，造成设备体积重量严重超标。

如图1所示，为典型的两级LC滤波电路。该电路由一级差模电感器L1、一级差模电容器C1、二级差模电感器L2、二级差模电容器C2以及阻尼网络电阻R-电感L3组成。该滤波器的传递函数为：

G (S) = \frac{1 + (\frac{L_{2} + L_{3}}{R}) S}{1 + (\frac{L_{2} + L_{3}}{R}) S + (L_{1} C_{2} + L_{1} C_{1} + L_{2} C_{2}) S^{2}}

+ [\frac{(L_{2} {+ L}_{3}) (L_{1} C_{2} + L_{1} C_{1}) + L_{1} C_{2} L_{3}}{R}] S^{3}

+ (L_{1} C_{2} L_{2} C_{2}) S^{4} + (\frac{L_{1} C_{2} L_{2} C_{2} L_{3}}{R}) S^{5}

一般取L₂=2L₁,C₂=4C₁,截至频率设低频脉冲电流频率为180Hz。此时L1=200Uh，C1=1000Uh。此时滤波器体积将非常大，达到310mmx206mmx75mm，3.5Kg，这在工程上将是不可接受的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，能够在有效抑制低频大电流脉冲的同时显著的减小设备的体积。

本发明的技术解决方案是：一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，包括恒流源、储能供电电路、电压采样电路、电流采样电路、误差放大器及其补偿网络、比较器和隔离驱动电路；外部供电电源的正端接至恒流源的输入端，恒流源的输出端接储能供电电路的一端，储能供电电路的另一端接至外部供电电源的负端，具有脉冲工作状态的设备与储能供电电路并联；所述的储能供电电路包括电容元件，用于吸收具有脉冲工作状态的设备不工作时外部供电电源流入的多余能量或补偿具有脉冲工作状态的设备处于脉冲工作状态时需要的额外能量；电压采样电路实时采集储能供电电路的电压并送至误差放大器，误差放大器将储能供电电路的电压与设定的参考电压进行比较后输出误差电压至比较器的第一输入端，电流采样电路实时采集恒流源的输入电流并转换为电压后送至比较器的第二输入端，比较器将两个输入端的电压进行比较后输出脉宽调制控制信号，所述的脉宽调制控制信号经隔离驱动电路放大后送至恒流源并控制恒流源的输入电流大小。

所述的恒流源包括电感L1、电容C1、功率变压器TR1、场效应管T1和二极管D1，电感L1的一端接外部供电电源的正端，电感L1的另一端同时接电容C1的一端以及功率变压器TR1的一次侧正端，功率变压器TR1的匝比为1：1，电容C1的另一端接外部供电电源的负端，功率变压器TR1的一次侧负端接场效应管T1的漏极端，场效应管T1的源极端接外部供电电源的负端，场效应管T1的栅极端接隔离驱动电路的输出端，二极管D1的阳极端接功率变压器TR1的二次侧正端，二极管D1的阴极端接具有脉冲工作状态的设备的供电正端，功率变压器TR1的二次侧负端接具有脉冲工作状态的设备的供电负端。

所述的储能供电电路中的电容元件的电容值可调节。所述的误差放大器及其补偿网络的带宽与具有脉冲工作状态的设备的脉冲工作电流的频率相同。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在对低频大电流脉冲进行抑制过程中，没有采用对其高频部分进行强行滤除的方法，而是从能量角度出发，通过改变能量在时间域的分布，改变储能供电电路中电容阵的特征容值、误差放大器的带宽和增益，从而改变抑制后的脉冲电流波形，抑制方法灵活方便，抑制范围较宽，克服了现有滤波电路体积大、重量大和插损大的问题，能够在较低的频率范围和较大的电压幅度内进行脉冲电流的抑制，尽可能提高抑制的能力。由于本发明这种抑制电路方便可调，有利于根据不同的电路实际情况，实时改变抑制能力，满足指标要求，隔离负载的脉冲特性对一次电源的影响。可根据允许的电流峰-峰值和电流波形改变储能供电电路中电容阵的容值和误差放大器的增益、带宽来改变电流的波形。

本发明与传统将脉冲信号频谱中高频成分滤除的方式相比，在相同抑制能力的条件下，比传统LC滤波电路体积、重量减小约90％。

附图说明

图1为现有的典型2阶LC滤波器原理图；

图2为本发明低频大电流抑制电路的原理图；

图3为误差放大器的原理图；

图4为图2中各主要电路节点的信号比较图；

图5为图2电路的一种具体电路实现图。

具体实施方式

本发明利用能量守恒原理，将一个脉冲工作周期内产生的波峰电流（I_on，T_on）搬运到波谷（I_off，T_off）内部，从而达到对脉冲电流的抑制目的。I_on为一个脉冲工作周期内设备工作时的电流，该电流持续时间为T_on；I_off为一个脉冲工作周期内设备不工作时的静态电流，该电流持续时间为T_off。

如图2所示，本发明电路主要包括恒流源、储能供电电路和控制电路，其中控制电路包括电压采样电路、误差放大器及其补偿网络、电流采样电路、比较器及隔离驱动电路。采用储能供电电路，吸收设备不工作时一次电源流入的多余能量或补偿设备工作时需要的额外能量。

一次电源V1的输出电流（恒流源的输入电流）为I_c，恒流源的输入端连接一次电源V1的正端，恒流源的输出端连接储能供电电路的正端，储能供电电路的输出电压为U_c，电压U_c由电压采样电路检测，电压采样电路的增益为A，检波后的输出电压为AU_c送入误差放大器及补偿网络，储能供电电路的输出电压U_c可通过误差放大器中的参考电压U_ref进行设置，以满足设备对接口电压的要求。电流源I1表示设备脉冲工作时产生的电流；当电流源I1的值为I_on时，此时一次电源V1输出电流I_c＜I_on，储能供电电路中的储能电路放电。在T_on结束时，电压U_c会下降为U_c(d)，其中U_c(d)为一个脉冲周期内U_c的最低点；当负载电流源I1的负载电流为I_off时，此时一次电源V1输出电流I_c＞I_off，多余的电流会存入储能供电电路，T_off结束时，电压U_c变为U_c(g)，其中U_c(g)为一个脉冲周期内U_c的最高点。

将U_c表示为U_c=U_c(dc)+U_c(ac)，其中U_c(ac)为U_c的交流分量，U_c(dc)为U_c的直流分量。U_c的低点U_c(d)满足其中C2为储能供电电路的特征电容值；U_c的高点U_c(g)满足其中储能供电电路输出电压U_c的波动范围为ΔU_c=U_c(g)-U_c(d)。

电压采样网络的输出电压为U_s=AU_c。U_c的变化被电压采样电路采集后送入误差放大器及其补偿网络，误差放大器的输出电压满足如图3所示，其中Uref为误差放大器的参考电压，Z_f（S）为负反馈网络传递函数，Z_i（S）为输入网络传递函数，U_o为误差放大器的输出，其直流分量为U_ref，交流分量为误差放大器对不同频率信号的增益满足其中A_o代表误差放大器的开环低频增益，f_p是增益下降一半时的频率，由于电压U_c的频率与电流I1相同均为f，对电压采样网络的输出电压U_s进行泰勒级数展开，U_S=U_S0+U_S1+U_S2+...，其中U_s0为直流分量，U_s1为基波、U_s2为二次谐波。通过补偿网络的设计、设定误差放大器的带宽等于脉冲电流的频率f，此时输误差放大器输出U_o交流成分的峰-峰值为此时由负载电流I1引起的U_c变化方波信号中的上升沿、下降沿中的交流成分被滤除，误差放大器输出U_O=U_ref+ΔU_o(p-p)sin(2πft)，其中U_ref为U_o的直流分量，ΔU_o(p-p)sin(2πft)为交流分量。电流采样电路的采样频率为脉冲信号频率f的M倍(M取0.5K～0.6K)，即电流采样网络的输出电压为BI_c频率为Mf，其中B为电流采样网络的增益，送入比较器并与误差放大器输出信号U_o进行比较，功率场效应管在每个电流采样周期的起始位置自动开启，当BI_c大于U_o时比较器翻转，此时BI_c开始减小并小于U_o，当新的电流采样周期开始时，比较器输出脉宽调制信号控制恒流源输入电流为正弦波形。

脉冲负载电流I1表示为I1=I1_(dc)+I1_(ac)，其中I1_(dc）为I1的直流分量，I1_（ac）为I1的交流分量。交流分量的峰-峰值为I_on-I_off，形状为方波。经过抑制后的恒流源输入电流I_c表示为I_c=I_c(dc)+I_c(ac)，其中I_c(dc)=U_ref/B，I_c(ac)=ΔU_o(p-p)/B，形状为正弦波，经过脉冲电流抑制后，电流的峰-峰值减小，形状由方波变为正弦波，上升、下降沿不存在。

如图4所示是电路中各主要节点的信号波形。I1为脉冲工作的设备产生的负载电流，形状为方波，工作时电流为I_on，不工作时静态电流为I _off。U_c为储能供电电路的输出电压，当设备工作时电压会下降、设备不工作时电压会上升。U_o为误差放大器的输出电压，直流分量为U_ref，交流分量为与脉冲信号同频率的正弦波，正弦波峰-峰值可根据要求调节。BI_c为电流采样网络的输出电压，可以看出其上叠加了Mf频率的采样纹波。I_c为经过恒流源内部高频滤波器滤除采样纹波之后的最终信号。

如图5所示，为图2所示电路原理的一种具体电路实现形式。该电路包括由电感器L1、电容器C1、功率变压器TR1、场效应管T1、二极管D1构成的恒流源，电感器L1的一端接一次电源V1的正端，一次电源V1的输出电流值为I_c，电感器L1的另一端同时接电容器C1的一端以及功率变压器TR1的一次侧正端，功率变压器TR1的匝比为1：1，电容器C1的另一端接一次电源V1的负端（一次地），功率变压器TR1的一次侧负端接场效应管T1的漏极端，场效应管T1的源极端接电流采样变压器TR2的初级后，连接到一次地，二极管D1的阳极接功率变压器TR1的二次侧正端，功率变压器TR1的二次侧负端接二次地，场效应管T1的栅极端接隔离驱动电路的输出端。该电路还包括由熔断器F1、储能电容阵C2构成的储能供电单元。熔断器F1的一端接二极管D1的阴极，熔断器F1的另一端接储能电容阵C2的一端，储能电容阵C2的另一端接二次地。电流源I1为脉冲工作的设备产生的负载电流。设备工作时间为T_on，电流源I1的电流值为I_on，设备不工作时间为T_off，电流源I1的电流值为设备静态功耗电流I_off。该电路还包括由电阻R1和电阻R2构成的分压网络，由电流采样变压器TR2、二极管D2、电阻R3构成的电流采样电路，误差放大器IC2及其补偿网络，误差放大器的输入电阻为R4，负反馈电路由电阻R5、电容C3组成。比较器IC1以及隔离驱动电路，上述几部分共同构成控制电路。熔断器F1的作用是提高电路的可靠性、防止电路出现短路模式。

当电流源I1的电流在I_on与I_off之间变化时，熔断器F1的端电压会产生同频率变化的脉冲电压。电压采样电路（电阻R1和电阻R2）采样该脉冲电压送入误差放大器IC2的负端，误差放大器的正端接参考电压U_ref，通过将误差放大器的带宽设置为负载电流I1的频率f。通过误差放大器IC2后误差信号中的高频部分被滤除，IC2的输出端会产生频率为f的正弦信号。此时方波信号被变换为正弦信号后送入比较器IC1的负端，电流采样电路将采集到的场效应管T1的漏极电流送入比较器IC1的正向端，在每个电流采样周期的起始位置，场效应管开始导通，当电流采样电路的输出电压BI_c大于误差放大器的输出U_o时，比较器翻转输出关断信号，关断信号被隔离驱动电路放大后，关断场效应管，BI_c开始减小，等待下一个采样周期到来时，从新开通场效应管，BI_c再次增加，由于受到IC1负端的限制，BI_c始终无法超过U_o，I_c上叠加的采样频率纹波由L1-C1滤除，从而实现了将方波脉冲波形变为正弦波形。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，其特征在于包括：恒流源、储能供电电路、电压采样电路、电流采样电路、误差放大器及其补偿网络、比较器和隔离驱动电路；外部供电电源的正端接至恒流源的输入端，恒流源的输出端接储能供电电路的一端，储能供电电路的另一端接至外部供电电源的负端，具有脉冲工作状态的设备与储能供电电路并联；所述的储能供电电路包括电容元件，用于吸收具有脉冲工作状态的设备不工作时外部供电电源流入的多余能量或补偿具有脉冲工作状态的设备处于脉冲工作状态时需要的额外能量；电压采样电路实时采集储能供电电路的电压并送至误差放大器，误差放大器将储能供电电路的电压与设定的参考电压进行比较后输出误差电压至比较器的第一输入端，电流采样电路实时采集恒流源的输入电流并转换为电压后送至比较器的第二输入端，比较器将两个输入端的电压进行比较后输出脉宽调制控制信号，所述的脉宽调制控制信号经隔离驱动电路放大后送至恒流源并控制恒流源的输入电流大小；所述的误差放大器及其补偿网络的带宽与具有脉冲工作状态的设备的脉冲工作电流的频率相同。

2.根据权利要求1所述的一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，其特征在于：所述的恒流源包括电感L1、电容C1、功率变压器TR1、场效应管T1和二极管D1，电感L1的一端接外部供电电源的正端，电感L1的另一端同时接电容C1的一端以及功率变压器TR1的一次侧正端，功率变压器TR1的匝比为1：1，电容C1的另一端接外部供电电源的负端，功率变压器TR1的一次侧负端接场效应管T1的漏极端，场效应管T1的源极端接外部供电电源的负端，场效应管T1的栅极端接隔离驱动电路的输出端，二极管D1的阳极端接功率变压器TR1的二次侧正端，二极管D1的阴极端接具有脉冲工作状态的设备的供电正端，功率变压器TR1的二次侧负端接具有脉冲工作状态的设备的供电负端。

3.根据权利要求1或2所述的一种带隔离的低频大电流脉冲抑制电路，其特征在于：所述的储能供电电路中的电容元件的电容值可调节。