CN104199015B - 测深仪的功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测深仪技术领域，尤其是一种测深仪的功率控制电路。包括功率电路，为换能器提供发射功率；第一输入电压和第二输入电压，所述第一输入电压和第二输入电压经充放电电路后为功率电路提供恒定驱动电压；与第一输入电压和第二输入电压连接的充放电电路，用于向功率电路提供恒定电压，以及功率电路的放电；与功率电路连接的控制电路，用于产生控制信号；与功率电路连接的驱动电路，根据控制电路产生的控制信号驱动功率电路；与功率电路连接的匹配电路，调节换能器电路阻抗。相对传统采用多种电压来控制测深仪的功率来说，本发明采用恒定电压，大大减小了体积，而且提高了安全性，同时功耗也较小。

Description

测深仪的功率控制电路

技术领域

本发明涉及测深仪技术领域，尤其是一种测深仪的功率控制电路。

背景技术

水声信号作为水下探测最有效的手段，已经广泛应用于水下目标探测的各种声纳设备之中。回声测深仪是应用水声信号进行测距的常规水深测量设备，也是当今应用最普遍的探测设备。它的工作原理是通过换能器发射一定频率的声波，利用声波在水中传播时，遇到密度不同的介质(如水底或其他物体)会产生反射信号，根据声波往返的时间及其在所测区域水中的传播速度，求得换能器至反射目标的直线距离,即测得水深。

在测量时，遇到深水情况，需要我们发射功率足够大这样才能测得水深值，而在浅水时，发射功率太大会造成多次回波影响测量效果，需要降低发射功率，所以根据水深情况一般要有几档功率可调。在发射电路设计中一般有四档发射功率可调。

为了实现测深仪的发射功率可调，传统功率控制电路中，我们需要设计多种功率电压，通过选通电路来实现不同档位时连通不同的功率电压，从而实现功率分档功能。但这种方式需要多种电源模块和选通电路，在选通其中一种电源模块时其它三种电源模块也有功耗产生，增加了不必要的功耗，同时也增加了生产成本，增加了电路的整体体积。另外在传统功率控制电路中，如果不使用变压器，则需要加大发射功率电压，这必然降低电路的安全性和可靠性，并且增加了电源电路的复杂性，而如果使用变压器，则存在体积大、重量大和效率低的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测深仪的功率控制电路，具有体积小，功耗小、安全性高的优点。

为了解决上述技术问题，本发明包括功率电路，为换能器提供发射功率，还包括：

第一输入电压和第二输入电压，所述第一输入电压和第二输入电压经充放电电路后为功率电路提供恒定驱动电压；

与第一输入电压和第二输入电压连接的充放电电路，用于向功率电路提供恒定电压，以及功率电路的放电；

与功率电路连接的控制电路，用于产生正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN控制信号；

与功率电路连接的驱动电路，根据控制电路产生的控制信号驱动功率电路；

与功率电路连接的匹配电路，调节换能器电路阻抗，使发射负载尽量接近纯阻状态，减少无功分量，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率，同时能防止换能器短路而引起测深仪损坏。

优选地，所述驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，分别用于接收控制电路传来的正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN。

优选地，所述充放电电路包括充电电路和放电电路，所述充电电路包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的源极与第一输入电压连接，所述场效应管Q3的栅极分别与电阻R4和R5，所述场效应管Q3的漏极分别与电容C1的正极和功率电路连接，所述R4的另一端与电容的负极连接，所述R5的另一端与第一输入电压连接，所述放电电路包括三极管Q2，所述三极管Q2的基极和电阻R1连接，所述电阻R1的另一端与第二输入电压连接，所述三极管Q2的集电极与电阻R2和场效应管Q1的漏极连接，所述场效应管Q1的漏极与电阻R3连接，所述电阻R2和R3的另一端分别与功率电路连接，所述三极管Q2的发射极还与稳压管D1的负极连接，所述稳压管D1的正极还与三极管Q2的集电极连接。

相对传统方式采用多种功率电压来控制测深仪发生功率来说，本发明向功率电路输入的是恒定电压，大大减小了控制电路的体积，而且提高了安全性，同时功耗也较小。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为功率电路的原理图；

图3为功率电路发射功率的波形图；

图4为第一驱动电路或第二驱动电路的原理图；

图5为匹配电路的原理图；

图6为传统充放电电路的原理图；

图7为本发明中充放电电路的原理图。

具体实施方式

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

传统的功率电路采用了占空比不变，通过选择多种不同的功率电压来实现功率档的转换。这样方式需要设计多种功率电源和选通电路，由于电源本身一直有功耗产生，所以增加了功率电源必然增加了损耗能量。同时多设计了其他功率电源和选通电路也增加了生产成本， 影响了整体电路的体积。

为此，如图1所示，本发明包括有第一输入电压和第二输入电压，所述第一输入电压和第二输入电压经充放电电路后为功率电路提供恒定驱动电压；

所述功率电路，为换能器提供发射功率，如图2所示，功率电路中的功率管的通断是由驱动芯片IR2110输出的RL、RH、LL、LH信号控制的，其中RL和LH信号形式一致，RH和LL信号形式一致。当RL和LH为高，RH和LL为低时，Q8、Q11导通，Q9、Q10截止，电流从换能器的正极流向负极，形成发射正半周，当RL和LH为低，RH和LL为高时，Q8、Q11截止，Q9、Q10导通，电流从换能器的负极流向正极，形成发射负半周。其中Q8、Q9、Q10、Q11构成了全桥功放电路，R9、R10、R15、R16为场效应管的泄漏电阻，Q6、Q7、Q12、Q13为场效应管的抗阻塞二极管。R11、R12、R13、R14、C5、C6、C7、C8构成四个场效应管的保护电路。

如图3所示，功率电路通过功放管将15V幅度的RL、RH、LL、LH驱动信号转换成95V幅度具有正负电压的发射信号，其中深色区域的大小就代表了发射功率的大小，如果将RL、RH和LL、LH的占空比加大，则反应在TR1和TR2两端波形的深色区域就会变大，发射功率就会增大，而如果将将RL、RH和LL、LH的占空比减小，则反应在TR1和TR2两端波形的深色区域就会变小，发射功率就会减小，这里我们选择四种不同的占空比就能实现了四档不同的发射功率。

所述充放电电路与第一输入电压和第二输入电压连接，用于向功率电路提供恒定电压HV，以及功率电路的放电；

传统的充放电电路如图6所示，通过采样电阻R1给电容C1充电，由于采样电阻上的分压较大，所以存在采样电阻损耗的无用功率较大、发热严重的问题。而通过电阻R2来给电容C1放电，R2阻值一般取10KΩ左右，由于R2一直处于放电状态，在测深仪仪正常工作时损耗的无用功率较高，同时在测深仪关机后放电时间缓慢，降低了安全性。采用本实施例中的充放电电路可以解决这些问题。

本发明充放电电路如图7所示，所述充放电电路包括充电电路和放电电路，所述充电电路包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的源极与第一输入电压连接，所述场效应管Q3的栅极分别与电阻R4和R5连接，所述场效应管Q3的漏极分别与电容C1的正极和功率电路连接，所述R4的另一端与电容的负极连接，所述R5的另一端与第一输入电压连接，所述放电电路包括三极管Q2，所述三极管Q2的基极和电阻R1连接，所述电阻R1的另一端与第二输入电压连接，所述三极管Q2的集电极与电阻R2和场效应管Q1的漏极连接，所述场效应管Q1的漏极与电阻R3连接，所述电阻R2和R3的另一端分别与功率电路连接，所述三极管 Q2的发射极还与稳压管D1的负极连接，所述稳压管D1的正极还与三极管Q2的集电极连接。

在充电电路中，R4、R5串联构成分压电路，在95V的第一输入电压上电后使场效应管Q3的栅极上的电压为90.3V，此时Q3的栅极和源极之间的电压U_DS为-4.7V，Q3导通，则95V的第一输入电压通过场效应管给储能电容C1充电。由于场效应管上漏极和源极之间的电压差一般为2V左右，所以场效应管上的功耗较低，避免了传统充电电路充电电阻功耗比较高、发热严重的问题。

在放电电路中，当测深仪正常工作时，5V的第二输入电压经过电阻R1给三极管Q2提供基极电压，从而使Q2导通，由于Q2的导通使Q1的栅级上的电压很低，所以Q1不导通，此时储能电容上的高压经过电阻R2、三极管Q2接地，由于R2阻值为120KΩ，所以正常工作时放电电路的功耗非常小。当测深仪关机时，此时5V的第二输入电压消失，三极管Q2不导通，储能电容上的高压经过电阻R2、稳压管D1串联电路给场效应Q1的栅级提供4.7V的电压，此时场效应管Q1导通，则储能电容上的高压经过电阻R3、场效应管Q1接地，由于电阻R3为100Ω，阻值较小，所以通过电阻R3可以快速将储能电容上的高压放掉。通过这样的设计，使放电电路在测深仪正常工作时功耗较小，而在测深仪关机后能将储能电容上的高压放掉。保证了安全性，同时也降低了仪器功耗。

与功率电路连接的控制电路，用于产生正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN控制信号；

与功率电路连接的第一驱动电路和第二驱动电路，分别用于接收控制电路传来的正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN，根据该控制信号驱动功率电路；

所述第一驱动电路和第二驱动电路的结构相同，如图4所示，第一驱动电路和第二驱动电路接收控制电路传来的发射波正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN，输出驱动功率电路的信号RH、RV、RL。当HIN信号有效时，第一驱动电路输出的RH信号和第二驱动电路的LL信号有效；当LIN信号有效时，第一驱动电路输出的RL信号和第二驱动电路的LH信号有效。

其中Q4、C4分别为二极管和自举电容，C2、C3为15V的滤波电容。假定C4已充到足够的电压VC4约等于15V，当HIN为高电平时，通过N1内部电路，VC4加到RH后级功放管的门级和发射级之间，功放管导通，C4通过内部电路、R6和功放管放电，此时C4可等效为一个电压源，而当HIN为低时，RH后级功放管栅级上的电荷经过R6和N1内部电路迅速释放从而功放管关断。经过死区时间后，LIN为高电平，RL后级的功放管导通，15V经过Q4给C4充电，迅速为C4补充能量。如此循环反复根据HIN和LIN驱动信号来进行导通和 关断后级四个功放管，从而使功率电路工作。

Q5为负偏置二极管，这是因为当器件关断时，其栅级和源级之间的dv/dt过高时，将通过源极和栅级之间的电容以尖脉冲的形式向栅级馈送电荷，是栅级电压升高，而场效应管的门槛电压通常在3到5V左右，一旦尖脉冲的高度和宽度达到一定水平，功率器件就会误导通，造成灾难性的后果。采用了Q5二极管后，使得器件关断后，在栅源之间形成一个负偏压，阻止器件误导通，从而起到保护作用。

与功率电路连接的匹配电路，调节换能器电路阻抗，使发射负载尽量接近纯阻状态，减少无功分量，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率，同时能防止换能器短路而引起测深仪损坏。本实施例的匹配电路如图5所示，其等效电路的阻抗为：

$Z=r+j(\mathrm{wL}-\frac{1}{\mathrm{wC}})$

选择合适的匹配电容和匹配电感，就能使电路阻抗尽量成纯阻状态，从而减小无用功耗。

另外我们可以根据工作频率和工作带宽的要求来设定匹配电路的品质因数Q，一般情况下我们选择品质因数Q为3。在Q设定后，我们就可以根据换能器等效电阻值R和Q值来算出匹配电路中所需要的匹配L2值和匹配电容C12的值。假设换能器的电阻值为R，根据等效原理，我们可以知道转换的等效电阻为

$R^{\′}=\frac{1}{1+Q^2}R=\frac{1}{10}R$

在实施例的电路中，功率电压为95V，而按照传统设计方法，不采用匹配技术，没有匹配电容和匹配电感，驱动高压直接加载在换能器上，要达到相同电功率，则需要的功率电压为

$u=\sqrt{\frac{{95}^2}{(1/10)R}R}=300\left(v\right)$

由上可见，如采用传统的功率控制电路，由于没有采用匹配电路，要达到相同电功率，功率电压要增加3倍左右，此时电压很高，降低了电路的安全性，增加了电源设计难度，同时由于换能器不是纯阻，增加了无用功耗。

Claims (1)

1.测深仪功率控制电路，包括：

功率电路，为换能器提供发射功率；

第一输入电压和第二输入电压，所述第一输入电压和第二输入电压经充放电电路后为功率电路提供恒定驱动电压；

与第一输入电压和第二输入电压连接的充放电电路，用于向功率电路提供恒定电压，以及功率电路的放电；

与功率电路连接的控制电路，用于产生正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN控制信号；

与功率电路连接的驱动电路，根据控制电路产生的控制信号驱动功率电路；

与功率电路连接的匹配电路，调节换能器电路阻抗，使发射负载尽量接近纯阻状态，减少无功分量，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率，同时能防止换能器短路而引起测深仪损坏；

所述驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，分别用于接收控制电路传来的正半周脉冲信号HIN和负半周脉冲信号LIN；

其特征在于，所述充放电电路包括充电电路和放电电路，所述充电电路包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的源极与第一输入电压连接，所述场效应管Q3的栅极分别与电阻R4和R5连接，所述场效应管Q3的漏极分别与电容C1的正极和功率电路连接，所述R4的另一端与电容的负极连接，所述R5的另一端与第一输入电压连接，所述放电电路包括三极管Q2，所述三极管Q2的基极和电阻R1连接，所述电阻R1的另一端与第二输入电压连接，所述三极管Q2的集电极与电阻R2和场效应管Q1的漏极连接，所述场效应管Q1的漏极与电阻R3连接，所述电阻R2和R3的另一端分别与功率电路连接，所述三极管Q2的发射极还与稳压管D1的负极连接，所述稳压管D1的正极还与三极管Q2的集电极连接。