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张旭
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一种具有自动均流功能的开关电源，属于航空航天电源领域。所述的开关电源应用于航空航天电源领域，包括电池Ⅰ、电池Ⅱ、二极管D1、二极管D2、DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ、均流模块。电池Ⅰ，电池Ⅱ并联对DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ供电，DC/DC模块经过均流后并联对负载供电，采用双余度结构，既满足航天设备对空间重量的要求，也满足航天设备对电源系统的安全性可靠性要求。均流模块采用专用均流芯片UC1902对DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ进行均流平衡，使每个DC/DC模块承受同等的电流负载，提高了航空电源的可靠性、安全性。

Description

一种具有自动均流功能的开关电源
技术领域
本发明涉及一种具有自动均流功能的开关电源，属于航空航天电源领域。
背景技术
航空电源作为飞行器的动力源是航天设备的重要功能系统，担负着为其他功能系统供电的重要任务。随着近代航天设备的性能不断提高，各种用电设备对电源系统的要求越来越高，使航天电源日益向高功率密度、高效率、高开关频率、小型化等方向发展。这些变化使得航天设备对航天电源的可靠性和安全性提出更高的要求，同时对大容量、高稳定性电源系统的需求日益迫切。
目前，航空电源通常采用单模块电源供电模式，即不同的功能系统使用不同的电池和单一的电源模块供电。这种模式有两个不足之处，一是多种电池和电源模块增加了航天设备的载荷，而航天设备通常要求设备重量轻，占用空间小；二是每个电源模块都是单独的电池供电和工作模块，当任一处出现故障则整个模块就不能正常工作，降低了航天设备的可靠性和安全性。针对以上的不足，航空电源模块采用双余度设计，既满足航天设备对空间重量的要求，也满足航天设备对电源系统的安全性可靠性要求。
但受工艺水平、误差限制、电路板布线等因素影响，并联运行的各电源模块的参数都会存在差异，致使其外特性有所不同，造成负载电流不均衡问题，降低系统的可靠性。因此在电源模块并联运行中必须引入有效的负载电流均流控制系统，来提高电源模块的可靠性。
发明内容
针对航空电源存在的单模块电源供电和供电电流不均衡的问题，本发明研制了一种具有自动均流功能的开关电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有均流功能的开关电源，包括电池Ⅰ，电池Ⅱ，二极管D1，二极管D2，DC/DC模块Ⅰ，DC/DC模块Ⅱ，均流模块。其中，电池Ⅰ的输出端与二极管D1的阳极相连，电池Ⅱ的输出端和二极管D2的阳极相连，二极管D1、二极管D2的阴极分别与DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输入端相连，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输出端分别与均流模块的芯片供电端相连，均流模块的控制端分别与DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的电压调整端相连。经过均流模块的均流作用，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输出端分别与负载相连。
所述的电池Ⅰ、电池Ⅱ都采用磷酸铁锂材料制作，额定电压值为80V，容量为5000mAh。
所述的二极管D1、二极管D1选用的型号是ON公司生产的MUR3020。
所述的DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ采用相同的有源正激拓扑结构。PWM控制芯片选用TI公司的峰值电流型PWM控制器UCC2897A。电池Ⅰ、电池Ⅱ接变压器原边同名输入端，原边输出端接NMOS开关管Q2到原边地，同时接钳位电容C2的一端，钳位电容C2的另一端接PMOS开关管Q1到原边地，PWM控制芯片的驱动引脚接开关管Q1、开关管Q2的栅极端，变压器的副边同名端接整流二极管D1阳极，整流二极管D1的阴极接整流二极管D2的阴极和输出滤波电感L的一端，输出电感L的另一端为DC/DC模块的输出端同时接输出滤波电容C1的正极，变压器副边的另一端接整流二极管D2的阳极和输出滤波电容C1的负极。DC/DC模块的输出端串联电阻R4、电阻R5、电阻R6到副边地，电阻R5电阻R6的公共点与PWM控制芯片UCC2897A的控制端相连。
所述的均流模块由两片TI公司生产的专用均流芯片UC1902及其外围电路构成。两片UC1902分别为UC1902Ⅰ、UC1902Ⅱ。UC1902Ⅰ的1脚、6脚接副边地，2脚接电阻R11到副边地，3脚接DC/DC模块Ⅰ的电压调整端，4脚接电阻R13到副边地，5脚接电阻R12一端，电阻R12另一端接电容C11到副边地,7脚接均流母线正端，8脚接DC/DC模块Ⅰ的输出端，同时8脚接滤波电容C12到副边地。UC1902Ⅱ的1脚、6脚接副边地，2脚接电阻R21到副边地，3脚接DC/DC模块Ⅱ的电压调整端，4脚接电阻R23到副边地，5脚接电阻R22一端，电阻R22另一端接电容C21到副边地,7脚接均流母线正端，8脚接DC/DC模块Ⅰ的输出端，同时8脚接滤波电容C22到副边地。
电池Ⅰ，电池Ⅱ，DC/DC模块Ⅰ，DC/DC模块Ⅱ对负载有四种供电模式：电池Ⅰ、电池Ⅱ同时供电，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ同时工作；电池Ⅰ、电池Ⅱ同时供电，DC/DC模块Ⅰ或DC/DC模块Ⅱ工作；电池Ⅰ或电池Ⅱ供电，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ同时工作；电池Ⅰ或电池Ⅱ其中一个供电，DC/DC模块Ⅰ或DC/DC模块Ⅱ其中一个工作。
本发明的有益效果是：双余度航空电源采用冗余技术，减少了航空设备空间的使用，保证任一电源模块损坏或者过流保护停止工作时，负载可以从备用模块中获得足够的电量，提高了电源系统的可靠性；采用自主均流方法，解决了因电路板走线、工艺制作等差异造成的并联DC/DC模块输出电流不均衡的问题，使两个模块同时共同等效的工作，提高了电源系统的稳定性，延长了电源模块的使用寿命。
附图说明
图1双余度航空电源总体结构框图；
图2DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ原理框图；
图3DC/DC模块与均流模块连接图；
图4DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ并联均流的应用原理图；
图中标号含义如下：
1．电池Ⅰ；
2．电池Ⅱ
3．DC/DC模块Ⅰ；
4．DC/DC模块Ⅱ；
5．均流模块
6．负载；
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
图1是双余度航空电源的总图原理框图，包括电池Ⅰ1，电池Ⅱ2，二极管D1，二极管D2，DC/DC模块Ⅰ3，DC/DC模块Ⅱ4，均流模块5。电池Ⅰ1、电池Ⅱ2作为直流电源，经过二极管D1，二极管D2后并联为DC/DC模块Ⅰ3，DC/DC模块Ⅱ4供电。通过这样的结构，电池互为备份，当任一电池出现故障或电量不足时，另一电池仍能持续给DC/DC模块供电，保证航空设备的正常工作；而电池Ⅰ1，电池Ⅱ2同时工作时，还能延长航天设备的工作时间，使航天设备在每次工作周期内完成更多的任务。并联的DC/DC模块也互为备份，当其中一个模块工作异常时，另一个模块仍能继续工作，保证供电正常。这样双余度航空电源就工作在四种工作状态：两块电池供电，两个DC/DC模块工作；两块电池供电，一个DC/DC模块工作；一块电池供电，两个DC/DC模块工作；一块电池供电，一个DC/DC模块工作。
图2是DC/DC模块Ⅰ1、DC/DC模块Ⅱ2原理框图。DC/DC模块Ⅰ1、DC/DC模块Ⅱ2都采用有源钳位正激变换器的结构。有源箝位正激变换器是在传统的正激式变换器的基础上，增加了由箝位电容和箝位开关管串联构成的有源箝位支路，虽然与传统的磁复位技术相比，有源箝位磁复位技术增加了一个箝位开关管，提高了变换器的成本，但是有源箝位磁复位技术有以下几个优点：有源箝位正激变换器的占空比可以大于0.5，使得变压器的原副边匝比变大，从而可以有效地减少原边的导通损耗；在变压器磁复位过程中，寄生元件中存储的能量可以回馈到电网，有利于变换器效率的提高；变压器磁芯双向对称磁化，工作在B-H回线的第一、三象限，因而有利于提高磁芯的利用率。本设计采用低边箝位电路，主要因为它的箝位开关管的驱动电路相对简单，不需要外加驱动变压器。本设计变压器副边采用二极管整流的方法，可以减少电路的复杂程度，提高电路的可靠性。
图3是DC/DC模块与均流模块5连接图。DC/DC模块的输出端为均流芯片UC1902提高工作电压，不用单独设计电路提供此电压，这样可以使航空电源的结构更合理实用。通过模块输出端电阻R1，均流芯片UC1902可以检测到对应DC/DC模块的输出电流数值，然后转化为均流母线正端的电压，然后去和其他UC1902芯片的均流母线正端电压比较，均流母线正电压大的UC1902芯片对应的DC/DC模块作为主模块，其他DC/DC模块作为从模块。此时从模块的电压调整端流向对应UC1902的3脚电流增加，这样电阻R4上的压降增加，R5、R6上的压降因为电压反馈环的作用而保持不变，从而使得从模块的输出电压Vout+增加，从模块的输出电流也增加。通过这样的过程，实现了并联的DC/DC模块的均流控制。
均流模块5用来平衡DC/DC模块Ⅰ3，DC/DC模块Ⅱ4承受的电流。目前，开关电源并联系统常用的均流方法有：输出阻抗法、主从设置法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法、热应力自动均流法和外加均流控制器均流法。其中，最大电流自动均流法以其均流精度高，负载6调整率高，动态响应好，可实现冗余等技术特点，在开关电源中得到广泛的实际应用。本设计中均流模块5通过使用专用均流控制芯片UC1902，采用最大电流自主均流的方法实现均流。其是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正负载6电流分配的不平衡，来实现模块之间的均流。由于每个模块电源的温漂不同，负载6调整及电压调整的瞬态响应也不完全相同，系统的主模块和从模块的位置会不断改变，因此该过程为动态过程。
图4是双余度DC/DC模块并联均流的示意原理图。是本设计的应用图。通过两个模块主从的交替，实现并联均流。在图4中，每个DC/DC模块的电流信号经过电流采样电阻R11或R21后经2脚输入到UC1902里，在经过内部放大器放大后由7脚输出，跟另一个UC1902的7脚相连，均流母线正端上的电压值由7脚电压大的芯片决定，也就是输出电流大的DC/DC模块决定。这样输出电流大的DC/DC模块成为主模块，另一个DC/DC模块成为从模块，进行均流调整，维持模块间输出电流的动态平衡。

Claims (6)

1.一种具有均流功能的开关电源，其特征是：包括电池Ⅰ，电池Ⅱ，二极管D1，二极管D2，DC/DC模块Ⅰ，DC/DC模块Ⅱ，均流模块。其中，电池Ⅰ的输出端与二极管D1的阳极相连，电池Ⅱ的输出端和二极管D2的阳极相连，二极管D1、二极管D2的阴极分别与DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输入端相连，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输出端分别与均流模块的芯片供电端相连，均流模块的控制端分别与DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的电压调整端相连;经过均流模块的均流作用，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ的输出端分别与负载相连。
2.根据权利要求1所述一种具有均流功能的开关电源，其特征在于：所述的电池Ⅰ、电池Ⅱ都采用磷酸铁锂材料制作，额定电压值为80V，容量为5000mAh。
3.根据权利要求1所述一种具有均流功能的开关电源，其特征在于：所述的二极管D1、二极管D1选用的型号是ON公司生产的MUR3020。
4.根据权利要求1所述一种具有均流功能的开关电源，其特征在于：所述的DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ采用相同的有源正激拓扑结构。PWM控制芯片选用TI公司的峰值电流型PWM控制器UCC2897A。电池Ⅰ、电池Ⅱ接变压器原边同名输入端，原边输出端接NMOS开关管Q2到原边地，同时接钳位电容C2的一端，钳位电容C2的另一端接PMOS开关管Q1到原边地，PWM控制芯片的驱动引脚接开关管Q1、开关管Q2的栅极端，变压器的副边同名端接整流二极管D1阳极，整流二极管D1的阴极接整流二极管D2的阴极和输出滤波电感L的一端，输出电感L的另一端为DC/DC模块的输出端同时接输出滤波电容C1的正极，变压器副边的另一端接整流二极管D2的阳极和输出滤波电容C1的负极。DC/DC模块的输出端串联电阻R4、电阻R5、电阻R6到副边地，电阻R5电阻R6的公共点与PWM控制芯片UCC2897A的控制端相连。
5.根据权利要求1所述一种具有均流功能的开关电源，其特征在于：所述的均流模块由两片TI公司生产的专用均流芯片UC1902及其外围电路构成。两片UC1902分别为UC1902Ⅰ、UC1902Ⅱ。UC1902Ⅰ的1脚、6脚接副边地，2脚接电阻R11到副边地，3脚接DC/DC模块Ⅰ的电压调整端，4脚接电阻R13到副边地，5脚接电阻R12一端，电阻R12另一端接电容C11到副边地,7脚接均流母线正端，8脚接DC/DC模块Ⅰ的输出端，同时8脚接滤波电容C12到副边地。UC1902Ⅱ的1脚、6脚接副边地，2脚接电阻R21到副边地，3脚接DC/DC模块Ⅱ的电压调整端，4脚接电阻R23到副边地，5脚接电阻R22一端，电阻R22另一端接电容C21到副边地,7脚接均流母线正端，8脚接DC/DC模块Ⅰ的输出端，同时8脚接滤波电容C22到副边地。
6.根据权利要求1所述一种具有均流功能的开关电源，其特征在于：电池Ⅰ，电池Ⅱ，DC/DC模块Ⅰ，DC/DC模块Ⅱ对负载有四种供电模式：电池Ⅰ、电池Ⅱ同时供电，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ同时工作；电池Ⅰ、电池Ⅱ同时供电，DC/DC模块Ⅰ或DC/DC模块Ⅱ工作；电池Ⅰ或电池Ⅱ供电，DC/DC模块Ⅰ、DC/DC模块Ⅱ同时工作；电池Ⅰ或电池Ⅱ其中一个供电，DC/DC模块Ⅰ或DC/DC模块Ⅱ其中一个工作。
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