CN105406699A - 一种冷备份模块电源 - Google Patents

Abstract

一种冷备份模块电源，包括浪涌抑制电路(2)、输入滤波电路(3)、功率变换电路(4)、输出滤波电路(5)、辅助电源控制电路(7)、辅助电源电路(8)、隔离电流取样变压器(9)、隔离驱动电路(10)、模块电源主控制器(11)、开关机控制电路(17)。本发明模块电源与现有技术相比，通过加入浪涌抑制电路和滤波电路，有效的抑制了开机时的浪涌电流，避免了大电流对后级电路的冲击，降低了变换器电磁干扰的影响，具有良好的电磁兼容性，同时本发明辅助电源电路采用两路输出供电方式，在保证集成芯片正常供电的同时，还为继电器提供了充足驱动功率，避免了驱动指令功率低情况下无法驱动继电器进行工作的缺陷。

Description

一种冷备份模块电源

技术领域

本发明涉及一种适用于驱动指令功率比较低的电源，特别是一种冷备份模块电源。

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，为了提高发射的成功率，要求电子设备的可靠性不断的提高，因此要求对电子设备供电的模块电源的可靠性也在不断的提高。传统的提高模块电源可靠性的方法为：保证器件电压、电流应力等的Ⅰ级降额，对部分关键元器件进行并联使用，保证功率器件的散热措施等。这些方法按照可靠性的相关理论，保证元器件Ⅰ级降额或者再进一步的降额并不能确保产品不发生系统级的失效，因此该方法有局限性，即在并联使用元器件后，并联中的单个元器件的失效会带来模块电源的输出或者保护性能下降或者失效。

为了避免元器件和系统级的失效，模块电源的冗余设计非常重要，当一个器件或者模块电源失效后，需要另外变换器完成相同的功能。现有的冗余设计方法为通过外部指令控制继电器的导通、断开，继电器的触点并联在输入浪涌抑制电路的MOS管的G、S端达到控制MOS管的开通和断开，实现模块电源的工作、不工作，但是该方法存在指令功率必须足够大才能可靠驱动继电器的缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种冷备份模块电源，通过在辅助电源中使用两路输出供电方式，在保证集成芯片正常供电的同时，还为继电器提供了充足驱动功率，解决了现有技术在驱动指令功率低情况下无法驱动继电器进行工作的问题。

本发明的技术解决方案是：一种冷备份模块电源，其特征在于包括：输入滤波电路、功率变换电路、输出滤波电路、辅助电源控制电路、辅助电源电路、隔离电流取样变压器、隔离驱动电路、模块电源主控制器、开关机控制电路，其中

输入滤波电路接收外部供电电压后进行滤波得到滤波后的供电电压，送至功率变换电路、辅助电源控制电路、辅助电源电路；功率变换电路对滤波后的供电电压进行功率、磁隔离变换后送至输出滤波电路，接收磁隔离后的脉冲输出，当为高电平时，导通，当为低电平时，关断；输出滤波电路对磁隔离变换后的供电电压进行整流滤波，将整流滤波后的供电电压作为DC/DC输出电压并送至外部；辅助电源电路对滤波后的供电电压进行变换并隔离输出，对模块电源主控制器、开关机控制电路供电；辅助电源控制电路接收滤波后的供电电压进行变换，控制辅助电源电路导通或关断；隔离电流取样变压器对滤波后的供电电压进行采样得到电流采样电压，对电流采样电压进行整流送至模块电源主控制器；隔离驱动电路接收模块电源主控制器产生的脉冲输出并进行磁隔离，将磁隔离后的脉冲输出至功率变换电路；模块电源主控制器，当使能端为高电平时，对DC/DC输出电压进行采样得到采样电压，对采样电压、电流采样电压进行斩波处理得到脉冲输出，并送至隔离驱动电路；开关机控制电路接收到外部开机指令脉冲时，控制模块电源主控制器使能端为高电平，接收到关机指令脉冲时，控制模块电源主控制器使能端为低电平。

还包括浪涌抑制电路，接收外部供电电压，抑制外部供电电压的电流峰值后送至输入滤波电路。

所述的功率变换电路包括功率变压器、功率MOS管，功率变压器包括绕组N1、N2，N1同名端与输入滤波电路的正输出端相连，N1异名端与功率MOS管D极的相连，N2同名端接输出地，N2异名端接输出滤波电路，功率MOS管S极接地，功率MOS管G极接隔离驱动电路。

所述的辅助电源电路包括变压器T2，二极管D3、D7、D8，电容C7、C8；辅助电源控制电路包括启动三极管Q1、启动电阻R5、二极管D4、D5、D6、电阻R4和电容C5，变压器T2包含绕组N3、N4、N5、N6；

绕组N3的同名端与二极管D3的阴极相连，异名端接地，绕组N4的同名端接输入滤波电路的输出端，异名端接启动三极管Q1的集电极；启动三极管Q1的发射极接输入地，基极连接启动电阻R5和二极管D6，启动电阻R5的另外一端接输入滤波电路的输出端，启动三极管Q1的基极还接至二极管D5的阳极，二极管D4和D5共阴极并与电容C5的一端相连，阳极分别接至电阻R4的两端，电容C5的另一端接输入地，变压器N5绕组的异名端与二极管D7的阳极相连，同名端与输出地相连，二极管D7的阴极与电容C7的一端相连，接至模块电源主控制器，C7的另一端与输出地相连，变压器N6绕组的异名端与二极管D8的阳极相连，同名端与指令地相连，二极管D8的阴极与电容C8的一端相连，接至开关机控制电路，C8一端与开关机控制电路相连，另一端接开机指令脉冲、关机指令脉冲的指令地。

所述的模块电源主控制器包括控制芯片UC1845、电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14和电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15；UC1845的RT/CT端通过电容C14接地，RT/CT端还通过电阻R10接VREF端，VREF端通过电容C15接地，ISENSE端外接由电阻R9和电容C9组成的滤波电路，电阻R9的另外一端接电流取样变压器T4副边绕组的同名端，电容C9的另一端接地，OUT端串接电阻R8和电容C10，电容C10的另一端接脉冲变压器T3副边绕组N8的同名端，UC1845内部的运算放大器的输出端接由电阻R11、R12和电容C11、C12、C13组成的调节器，电阻R11与电容C11串联后与电容C13并联，电容C12与电阻R12并联，两者串联后，后者的一端接在分压电阻R13、R14的中点，电阻R13的另一端接DC/DC输出电压，电阻R14的另一端接地，内部运算放大器的反向输入端接电阻R11和电容C11的公共端，其中，脉冲变压器T3包括绕组N7、N8，绕组N7的同名端接隔离电流取样变压器，异名端接功率变换电路中功率MOS管的G极，绕组N8的同名端接模块电源主控制器，异名端接输出地；脉冲变压器T4包括绕组N9、N11，绕组N9的同名端接功率变换电路中功率MOS管的S极，异名端接输入地，绕组N11的同名端接隔离电流取样变压器，异名端接模块电源主控制器的输入地。

所述的输入滤波电路或输出滤波电路为LC滤波电路。

所述的浪涌电流抑制电路包括电阻R1和R2、启动电容C1、二极管D1和功率管M1；启动电容C1、二极管D1、电阻R2并联，接在功率管M1的门极和源极之间，功率管M1的源极与输入电源的地相连，功率管M1的漏极与输入滤波电路的地相连，构成DC/DC输出电压的输入地，二极管的阳极接电阻R1，阴极接功率管M1的源极，电阻R1的另一端接外部供电电压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明模块电源中电压传输均采用磁隔离反馈技术，避免了传统光藕隔离由于空间辐照使得现有DC/DC冷源电源变换不稳定或早期失效的缺陷，具有稳定性强、寿命长的优点；

(2)本发明模块电源通过加入浪涌抑制电路和滤波电路，有效的抑制了开机时的浪涌电流，避免了大电流对后级电路的冲击，同时输入滤波器、输出滤波器可以有效的抑制变换器的电磁干扰，具有良好的电磁兼容的优点；

(3)本发明辅助电源采用两路输出供电方式，在保证集成芯片正常供电的同时，还为继电器提供了充足驱动功率，避免了驱动指令功率低情况下无法驱动继电器进行工作的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种冷备份模块电源的电路原理图；

图2为本发明一种冷备份模块电源中浪涌电流抑制电路的电路原理图；

图3为本发明一种冷备份模块电源中辅助电源控制电路的电路原理图；

图4为本发明一种冷备份模块电源中主控制电路的电路原理图；

其中，1为输入源，2为浪涌电流抑制电路，3为输入滤波电路，4为功率变换电路，5为输出滤波电路，6为DC/DC输出电压，7为辅助电源控制电路，8为辅助电源电路，9为隔离电流取样变压器，10为隔离驱动电路，11为模块电源主控制电路，12为开机指令脉冲，13为关机指令脉冲，14为控制继电器电路，15为开机指令电路，16为关机指令电路，17为开关机控制电路。

具体实施方式

本发明克服现有技术中存在指令功率必须足够大才能可靠驱动继电器的缺陷，提出一种冷备份模块电源，通过在辅助电源中使用两路输出供电方式，在保证集成芯片正常供电的同时，还为继电器提供了充足驱动功率，使得本发明模块电源在驱动指令功率低情况下仍能够驱动继电器正常工作，下面结合附图对本发明方法进行详细说明。

本发明模块电源如图1所示包括浪涌抑制电路2、输入滤波电路3、功率变换电路4、输出滤波电路5、辅助电源控制电路7、辅助电源变压器8、隔离电流取样变压器9、脉冲驱动变压器10、模块电源主控制器11、开关机控制电路17，其中，开关机控制电路17包含了继电器电路14，开机指令电路15和关机指令电路16；辅助电源变压器中有四个绕组，通过辅助电源控制电路7输出的第一路电压给模块电源主控制器11进行供电；模块电源主控制器11用来控制功率变换电路4实现电压转换，实现输出端6和输入端1的隔离。在本发明模块电源正常工作的时候，模块电源主控制器11检测参考电压和变换器的输出电压、电流采样变压器9的电流，调整变换器4的输出电压6；通过辅助电源控制电路7输出的第二路给继电器电路14进行供电。开机指令电路15用来控制继电器线包14实现触点断开，达到模块电源正常工作的目的；关机指令电路16用来控制继电器线包14实现触点闭合，达到模块电源关机的目的。

浪涌抑制电路2接收外部供电电压，抑制外部供电电压的电流峰值后送至输入滤波电路3，输入滤波电路3接收供电电压后进行滤波得到滤波后的供电电压，送至功率变换电路4、辅助电源控制电路7、辅助电源电路8；功率变换电路4对滤波后的供电电压进行功率、磁隔离变换后送至输出滤波电路5，接收磁隔离后的脉冲输出，当为高电平时，导通，当为低电平时，关断；输出滤波电路5对磁隔离变换后的供电电压进行整流滤波，将整流滤波后的供电电压作为DC/DC输出电压6并送至外部；辅助电源电路8对滤波后的供电电压进行变换并隔离输出，对模块电源主控制器11、开关机控制电路17供电；辅助电源控制电路7接收滤波后的供电电压进行变换，控制辅助电源电路8导通或关断；隔离电流取样变压器9对滤波后的供电电压进行采样得到电流采样电压，对电流采样电压进行整流送至模块电源主控制器11；隔离驱动电路10接收模块电源主控制器11产生的脉冲输出并进行磁隔离，将磁隔离后的脉冲输出至功率变换电路4；模块电源主控制器11，当使能端为高电平时，对DC/DC输出电压6进行采样得到采样电压，对采样电压、电流采样电压进行斩波处理得到脉冲输出，并送至隔离驱动电路10；开关机控制电路17接收到外部开机指令脉冲12时，控制模块电源主控制器11使能端为高电平，接收到关机指令脉冲13时，控制模块电源主控制器11使能端为低电平。

功率变换电路4包括功率变压器、功率MOS管，功率变压器包括绕组N1、N2，N1同名端与输入滤波电路3的正输出端相连，N1异名端与功率MOS管D极的相连，N2同名端接输出地，N2异名端接输出滤波电路5，功率MOS管S极接地，功率MOS管G极接隔离驱动电路10。输入滤波电路3或输出滤波电路5为LC滤波电路。

如图2所示为本发明一种冷备份模块电源中浪涌电流抑制电路的电路原理图，浪涌电流抑制电路2包括电阻R1和R2、启动电容C1、二极管D1和功率管M1；启动电容C1、二极管D1、电阻R2并联，接在功率管M1的门极和源极之间，功率管M1的源极与输入电源的地相连，功率管M1的漏极与输入滤波电路3的地相连，构成DC/DC输出电压6的输入地，二极管的阳极接电阻R1，阴极接功率管M1的源极，电阻R1的另一端接外部供电电压。

如图3所示为本发明一种冷备份模块电源中辅助电源控制电路的电路原理图，辅助电源电路8包括变压器T2，二极管D3、D7、D8，电容C7、C8；辅助电源控制电路7包括启动三极管Q1、启动电阻R5、二极管D4、D5、D6、电阻R4和电容C5，变压器T2包含绕组N3、N4、N5、N6；

绕组N3的异名端与二极管D3的阴极相连，同名端接地，绕组N4的同名端接输入滤波电路3的输出端，异名端接启动三极管Q1的集电极；启动三极管Q1的发射极接输入地，基极连接启动电阻R5和二极管D6，启动电阻R5的另外一端接输入滤波电路3的输出端，启动三极管Q1的基极还接至二极管D5的阳极，二极管D4和D5共阴极并与电容C5的一端相连，阳极分别接至电阻R4的两端，电容C5的另一端接输入地，变压器N5绕组的异名端与二极管D7的阳极相连，同名端与输出地相连，二极管D7的阴极与电容C7的一端相连，接至模块电源主控制器11，C7的另一端与输出地相连，变压器N6绕组的异名端与二极管D8的阳极相连，同名端与指令地相连，二极管D8的阴极与电容C8的一端相连，接至开关机控制电路17，电容C8一端与开关机控制电路17相连，另一端接开机指令脉冲12、关机指令脉冲13的指令地。

如图4所示为本发明一种冷备份模块电源中模块主控制电路的电路原理图，模块电源主控制器11包括控制芯片UC1845、电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14和电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15；UC1845的RT/CT端通过电容C14接地，RT/CT端还通过电阻R10接VREF端，VREF端通过电容C15接地，ISENSE端外接由电阻R9和电容C9组成的滤波电路，电阻R9的另外一端接电流取样变压器T4副边绕组的同名端，电容C9的另一端接地，OUT端串接电阻R8和电容C10，电容C10的另一端接脉冲变压器T3副边绕组N8的同名端，UC1845内部的运算放大器的输出端接由电阻R11、R12和电容C11、C12、C13组成的调节器，电阻R11与电容C11串联后与电容C13并联，电容C12与电阻R12并联，两者串联后，后者的一端接在分压电阻R13、R14的中点，电阻R13的另一端接DC/DC输出电压6，电阻R14的另一端接地，内部运算放大器的反向输入端接电阻R11和电容C11的公共端，其中，脉冲变压器T3包括绕组N7、N8，绕组N7的同名端接隔离电流取样变压器9，异名端接功率变换电路4中功率MOS管的G极，绕组N8的同名端接模块电源主控制器11，异名端接输出地；脉冲变压器T4包括绕组N9、N11，绕组N9的同名端接功率变换电路4中功率MOS管的S极，异名端接输入地，绕组N11的同名端接隔离电流取样变压器9，异名端接模块电源主控制器11的输入地。

综上所述，本发明使用一种RCC两路输出启动电路，在电路实现的过程中，通过RCC启动电路提供两路输出电压，一路为模块电源控制部分供电，一路为继电器供电，脉冲指令通过分压电阻以控制三极管达到控制继电器工作状态，继电器触点并联在模块电源控制部分使能端达到控制模块电源的工作状态，当一个模块电源故障无输出的情况下，通过关机指令将其关断，同时通过开机指令将冗余模块电源开通，使卫星负载供电不受影响，最大可能的提高模块电源的可靠度，两个或多个模块电源同时出现故障的概率非常低，应力分析法表明这种两个模块电源的冗余设计8年寿命末期的可靠性指标：R≥0.999

其中，本发明模块电源中磁隔离技术是指该模块电源输入和输出在电气上完全隔离，现有的光藕隔离由于受到空间辐照和单粒子等空间效应的影响，在光电转换过程中会出现较大的漂移，本发明模块电源采用磁隔离技术进行隔离，即通过绕在同一个变压器上的四个绕组来实现，主绕组和两路输出绕组用来实现所需电压的变换，辅助绕组用来对控制实现反馈达到稳定输出电压的目的，进而实现磁隔离，与现有技术相比，更加适合作为空间应用的星载卫星载荷电源。

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 (7)

1.一种冷备份模块电源，其特征在于包括：输入滤波电路(3)、功率变换电路(4)、输出滤波电路(5)、辅助电源控制电路(7)、辅助电源电路(8)、隔离电流取样变压器(9)、隔离驱动电路(10)、模块电源主控制器(11)、开关机控制电路(17)，其中

输入滤波电路(3)接收外部供电电压后进行滤波得到滤波后的供电电压，送至功率变换电路(4)、辅助电源控制电路(7)、辅助电源电路(8)；功率变换电路(4)对滤波后的供电电压进行功率、磁隔离变换后送至输出滤波电路(5)，接收磁隔离后的脉冲输出，当为高电平时，导通，当为低电平时，关断；输出滤波电路(5)对磁隔离变换后的供电电压进行整流滤波，将整流滤波后的供电电压作为DC/DC输出电压(6)并送至外部；辅助电源电路(8)对滤波后的供电电压进行变换并隔离输出，对模块电源主控制器(11)、开关机控制电路(17)供电；辅助电源控制电路(7)接收滤波后的供电电压进行变换，控制辅助电源电路(8)导通或关断；隔离电流取样变压器(9)对滤波后的供电电压进行采样得到电流采样电压，对电流采样电压进行整流送至模块电源主控制器(11)；隔离驱动电路(10)接收模块电源主控制器(11)产生的脉冲输出并进行磁隔离，将磁隔离后的脉冲输出至功率变换电路(4)；模块电源主控制器(11)，当使能端为高电平时，对DC/DC输出电压(6)进行采样得到采样电压，对采样电压、电流采样电压进行斩波处理得到脉冲输出，并送至隔离驱动电路(10)；开关机控制电路(17)接收到外部开机指令脉冲(12)时，控制模块电源主控制器(11)使能端为高电平，接收到关机指令脉冲(13)时，控制模块电源主控制器(11)使能端为低电平。

2.根据权利要求1所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：还包括浪涌抑制电路(2)，接收外部供电电压，抑制外部供电电压的电流峰值后送至输入滤波电路(3)。

3.根据权利要求1所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：所述的功率变换电路(4)包括功率变压器、功率MOS管，功率变压器包括绕组N1、N2，N1同名端与输入滤波电路(3)的正输出端相连，N1异名端与功率MOS管D极的相连，N2同名端接输出地，N2异名端接输出滤波电路(5)，功率MOS管S极接地，功率MOS管G极接隔离驱动电路(10)。

4.根据权利要求1所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：所述的辅助电源电路(8)包括变压器T2，二极管D3、D7、D8，电容C7、C8；辅助电源控制电路(7)包括启动三极管Q1、启动电阻R5、二极管D4、D5、D6、电阻R4和电容C5，变压器T2包含绕组N3、N4、N5、N6；

绕组N3的同名端与二极管D3的阴极相连，异名端接地，绕组N4的同名端接输入滤波电路(3)的输出端，异名端接启动三极管Q1的集电极；启动三极管Q1的发射极接输入地，基极连接启动电阻R5和二极管D6，启动电阻R5的另外一端接输入滤波电路(3)的输出端，启动三极管Q1的基极还接至二极管D5的阳极，二极管D4和D5共阴极并与电容C5的一端相连，阳极分别接至电阻R4的两端，电容C5的另一端接输入地，变压器N5绕组的异名端与二极管D7的阳极相连，同名端与输出地相连，二极管D7的阴极与电容C7的一端相连，接至模块电源主控制器(11)，C7的另一端与输出地相连，变压器N6绕组的异名端与二极管D8的阳极相连，同名端与指令地相连，二极管D8的阴极与电容C8的一端相连，接至开关机控制电路(17)，C8一端与开关机控制电路(17)相连，另一端接开机指令脉冲(12)、关机指令脉冲(13)的指令地。

5.根据权利要求1所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：所述的模块电源主控制器(11)包括控制芯片UC1845、电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14和电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15；UC1845的RT/CT端通过电容C14接地，RT/CT端还通过电阻R10接VREF端，VREF端通过电容C15接地，ISENSE端外接由电阻R9和电容C9组成的滤波电路，电阻R9的另外一端接电流取样变压器T4副边绕组的同名端，电容C9的另一端接地，OUT端串接电阻R8和电容C10，电容C10的另一端接脉冲变压器T3副边绕组N8的同名端，UC1845内部的运算放大器的输出端接由电阻R11、R12和电容C11、C12、C13组成的调节器，电阻R11与电容C11串联后与电容C13并联，电容C12与电阻R12并联，两者串联后，后者的一端接在分压电阻R13、R14的中点，电阻R13的另一端接DC/DC输出电压(6)，电阻R14的另一端接地，内部运算放大器的反向输入端接电阻R11和电容C11的公共端，其中，脉冲变压器T3包括绕组N7、N8，绕组N7的同名端接隔离电流取样变压器(9)，异名端接功率变换电路(4)中功率MOS管的G极，绕组N8的同名端接模块电源主控制器(11)，异名端接输出地；脉冲变压器T4包括绕组N9、N11，绕组N9的同名端接功率变换电路(4)中功率MOS管的S极，异名端接输入地，绕组N11的同名端接隔离电流取样变压器(9)，异名端接模块电源主控制器(11)的输入地。

6.根据权利要求2所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：所述的输入滤波电路(3)或输出滤波电路(5)为LC滤波电路。

7.根据权利要求2所述的一种冷备份模块电源，其特征在于：所述的浪涌电流抑制电路(2)包括电阻R1和R2、启动电容C1、二极管D1和功率管M1；启动电容C1、二极管D1、电阻R2并联，接在功率管M1的门极和源极之间，功率管M1的源极与输入电源的地相连，功率管M1的漏极与输入滤波电路(3)的地相连，构成DC/DC输出电压(6)的输入地，二极管的阳极接电阻R1，阴极接功率管M1的源极，电阻R1的另一端接外部供电电压。