CN106602851A - 一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路，其包括前级功率缓冲模块、后级稳压模块、前级电压采样模块、后级电压采样模块、前级电流采样模块、前级控制模块以及后级控制模块。所述前级功率缓冲模块采用Boost变换器，所述后级稳压模块采用Buck变换器，所述电流采样模块采用电流镜采样电路，所述电压采样模块采用电阻分压采样电路。所述Boost变换器采用加入输入电流交流扰动信号后的电压闭环控制，所述Buck变换器采用传统的电压闭环控制，通过控制前后两级变换器的级联工作，实现当负载工作于低频脉冲状态时的输入脉冲电流的纹波抑制效果。该电路结构简单，设计调节灵活，具有较强的实用性。

Description

一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路
技术领域
本发明属于有源滤波技术领域，尤其涉及一种脉冲功率电流纹波抑制电路。
背景技术
无论是在民用领域还是在国防及军事上，直流脉冲负载均广泛存在，并且正朝着高能量、大平均功率和快速脉冲重复频率方向发展，导致直流电源系统的输入端产生同频率大幅度变化的脉冲电流，传统的无源滤波法为达到所规定的输入电流脉动范围，所需输入滤波器参数过大，会导致电源系统整体效率下降、动态响应变差等严重问题，已经无法满足系统的要求。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明综合体积、质量、成本及性能指标等各方面因素，提出了一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路，通过控制前后两级变换器的级联工作，实现当负载为脉冲负载时，输入脉冲电流的纹波抑制效果。
本发明通过以下技术方案实现：
一种适用于脉冲负载的低频电流纹波抑制电路，所述低频电流纹波抑制电路包括前级功率缓冲模块、后级稳压模块、前级电压采样模块、后级电压采样模块、前级电流采样模块、前级控制模块以及后级控制模块；所述前级功率缓冲模块采用Boost变换器，所述后级稳压模块采用Buck变换器，前级Boost变换器的输出作为后级Buck变换器的输入；前后级电压采样模块均采用电阻分压采样，所述前级电流采样模块采用电流镜采样电路；所述后级控制模块采用传统的电压闭环控制，所述后级电压采样模块的输出作为后级控制模块的输入；所述前级控制模块采用加入输入电流交流扰动信号的电压闭环控制，所述前级控制模块由电压补偿单元、RC低通滤波网络单元、CR高通滤波网络单元、输入电流交流扰动信号差分单元组成，电压补偿单元的输出信号经过低通RC滤波网络滤波后与经过CR高通滤波网络得到的输入电流交流扰动信号进行差分后作为前级变换器的控制信号，其中，所述电压补偿单元与所述后级控制模块的拓扑结构一样；前后两级控制模块相互独立，通过控制前后两级变换器的级联工作，实现当负载为脉冲负载时，输入脉冲电流的纹波抑制效果。
本发明的有益效果是：本发明提供的前后两级变换器级联电路及其控制方法，使得当负载工作于低频脉冲形式时，输出功率的脉动表现在允许一定程度上的中间电容电压VBus的波动，前级变换器起到脉冲能量缓冲的作用，后级变换器在输入电压波动时稳定输出电压，从而实现负载在脉冲工作下输出稳定的同时实现直流输入侧的脉冲电流纹波的抑制，抑制方法结构简单，灵活方便，避免了无源滤波器参数过大、系统效率降低等的缺点，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明的低频电流纹波抑制电路原理图；
图2是本发明的前级Boost变换器电流采样电路原理图；
图3是本发明的后级Buck变换器电压采样和控制模块电路原理图；
图4是本发明的前级Boost变换器电压采样和控制模块电路原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路，如附图1所示，其包括前级功率缓冲模块、后级稳压模块、前级电压采样模块、后级电压采样模块、前级电流采样模块、前级控制模块以及后级控制模块。所述前级功率缓冲模块采用Boost变换器，所述后级稳压模块采用Buck变换器，所述前级电流采样模块采用电流镜采样电路，前后级电压采样模块均采用电阻分压采样电路，前级Boost变换器采用加入输入电流交流扰动信号后的电压闭环控制，后级Buck变换器采用传统的电压闭环控制，通过控制前后两级变换器的级联工作，实现当负载工作于低频脉冲状态时的输入脉冲电流的纹波抑制效果。
前级功率缓冲模块采用Boost变换器，包括电感LF、电容CF、开关管QF、二极管DF，其中电感LF的一端连接输入电压Vin的一端，Vin的另一端接地，LF的另一端连接开关管QF的漏极和二极管DF的阳极，QF的源极接地，二极管DF的阴极连接电容CF的一端，CF的另一端与接地，所述前级变换器的输出作为所述后级变换器的输入，开关管QF的栅极连接前级控制模块的控制信号。所述后级稳压模块采用Buck变换器，包括电感LS、电容CS、开关管QS、二极管DS，其中所述开关管QS的漏极与所述前级Boost变换器电容DF的阴极相连，开关管QS的源极与二极管DS的阴极和电感LS的一端相连，二极管DS的阳极接地，LS的另一端连接电容CS的一端，CS的另一端接地。所述两级变换器组成DC/DC变换器级联系统，CS的两端作为系统的输出端，开关管QS的栅极连接后级控制模块的控制信号。
前级Boost变换器的电流采样模块采用电流镜采样电路，如附图2所示，由采样电阻R9、电阻R10～R14、PNP型三极管T1、T2、T3组成。其中，所述采样电阻R9串联在前级输入电感LF支路上，采样流经电感LF的电流Iin，所述三极管T1的发射极分别与电阻R10的一端和三极管T3发射极相连，T1的基极和集电极分别与三极管T2的基极相连，T1的集电极与电阻R12的一端相连，所述三极管T2的发射极与电阻R11的一端相连，T2的集电极分别与电阻R13的一端和T3的基极相连，所述三极管T3的集电极与电阻R14相连，电阻R12、R13、R14的另一端分别接地，电阻R10和电阻R11的另一端分别连在采样电阻R9的两端。
所述DC/DC变换器级联系统前后两级的控制相互独立。后级Buck变换器采用传统的电压闭环控制，如附图3所示，所述控制模块包括运算放大器和电阻R1、电容C1组成的补偿网络，所述运算放大器的反相输入端与电压采样模块输出相连，所述运算放大器的同相输入端与参考电压Vref相连，所述运算放大器的输出端与反相输入端之间设置有串联的电阻R1和电容C1。所述电压采样模块由电阻Ra和电阻Rb组成，电阻Ra的一端与采样电压Vout相连，Ra的另一端与电阻Rb的一端相连，Rb的另一端接地，Ra的另一端作为电压采样模块输出。所述运算放大器的输出端作为后级Buck变换器控制模块的输出VCS，控制后级Buck变换器的开关管QF。
前级Boost变换器采用改进的电压闭环控制，如附图4所示，所述控制模块由电压补偿单元、RC低通滤波网络单元、CR高通滤波网络单元、输入电流交流扰动信号差分单元组成，其中电压补偿单元与后级Buck变换器的电压采样和控制模块结构相同(参见附图4中的OP1及其外围电路)，所述电压补偿单元包括运算放大器OP1和电阻R2、电容C2组成的补偿网络，所述运算放大器OP1的反相输入端与前级电压采样模块输出相连，所述运算放大器OP1的同相输入端与参考电压Vref相连，所述运算放大器OP1的输出端与反相输入端之间设置有串联的电阻R2和电容C2。所述输入电流交流扰动信号差分单元由运算放大器OP2、电阻R5～R8组成，其中所述运算放大器OP2的同相输入端与电阻R5和电阻R8的一端相连接，R5的另一端连接电容C4和电阻R4的一端，R4的另一端接地，C4的另一端连接电流采样模块的输出，电容C4与电阻R4组成所述CR高通滤波网络单元；电阻R8的另一端接运算放大器OP2的输出端，运算放大器OP2的同相输入端连接电阻R6和电阻R7的一端，R6的另一端连接电阻R3和电容C3的一端，C3和R7的另一端分别接地，电阻R3的另一端连接所述电压补偿网络单元的输出，电阻R3和电容C3组成所述RC低通滤波网络单元。
本发明的工作原理如下：当负载工作于低频(百赫兹)脉冲功率形式时，利用能量守恒原理，单级DC/DC变换器的输出稳压和输入稳流不可兼得，要么该功率脉动将以脉动电流形式表现在输入侧，即输入电流产生同等频率大幅度脉动纹波，要么得允许一定程度上的输出电压波动，所以本发明采用DC/DC变换器级联系统。
在所述DC/DC变换器级联系统当中，前级采用的Boost变换器，起到能量缓冲作用，允许中间级电容在负载脉动时产生同等频率的电压波动，输入电流连续，输入端不再需要采用LC滤波网络，另外，Boost变换器为升压电路，按照电容在一个周期内的能量表达式：
升高中间电容两端电压可以减小电容的容值，从而减小系统的体积。前级Boost变换器采用加入输入电流交流扰动信号后的电压闭环控制，即所述电压补偿单元的输出通过RC低通滤波网络后，与通过CR高通滤波网络得到的输入电流交流扰动信号进行差分得到最后的控制电压，当负载脉冲变化时引起输入电流大幅度脉动，RC低通滤波网络减小了前级变换器的带宽，CR高通网络采集到脉冲负载引起的输入电流的交流扰动信号，通过做差运算，将输入电流扰动信号引入到控制回路当中，从而改变前级的控制参数。
通过调节RC网络和CR网络的参数，实现当负载脉动时前级输出电容两端电压同频率波动，而输入电流脉冲纹波得到抑制的效果。后级采用Buck变换器进行降压，当中间电容波动电压作为后级Buck变换器宽范围电压输入时，通过传统的电压闭环控制即可得到稳定的输出电压。因为采用了级联系统，且前后两级的控制相互独立，所以电路输出电压的动态性能基本上由后级变换器来决定，所以本发明电路，在减小系统体积的同时，基本上不会影响系统的动态效果，相比无源滤波法，大大提高了系统的效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于脉冲负载的低频脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述低频电流纹波抑制电路包括前级功率缓冲模块、后级稳压模块、前级电压采样模块、后级电压采样模块、前级电流采样模块、前级控制模块以及后级控制模块；所述前级功率缓冲模块采用Boost变换器，所述后级稳压模块采用Buck变换器，前级Boost变换器的输出作为后级Buck变换器的输入；前后级电压采样模块均采用电阻分压采样，所述前级电流采样模块采用电流镜采样电路；所述后级控制模块采用传统的电压闭环控制，所述后级电压采样模块的输出作为后级控制模块的输入；所述前级控制模块采用加入输入电流交流扰动信号的电压闭环控制，所述前级控制模块由电压补偿单元、RC低通滤波网络单元、CR高通滤波网络单元、输入电流交流扰动信号差分单元组成，电压补偿单元的输出信号经过低通RC滤波网络滤波后与经过CR高通滤波网络得到的输入电流交流扰动信号进行差分后作为前级变换器的控制信号，其中，所述电压补偿单元与所述后级控制模块的拓扑结构一样；前后两级控制模块相互独立，通过控制前后两级变换器的级联工作，实现当负载为脉冲负载时，输入脉冲电流的纹波抑制效果。
2.根据权利要求1所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述前级功率缓冲模块包括电感LF、电容CF、开关管QF、二极管DF，其中，电感LF的一端连接输入电压Vin的一端，Vin的另一端接地，LF的另一端连接开关管QF的漏极和二极管DF的阳极，QF的源极接地，二极管DF的阴极连接电容CF的一端，CF的另一端与接地，所述前级变换器的输出作为所述后级变换器的输入，开关管QF的栅极连接前级控制模块的控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述后级稳压模块包括电感LS、电容CS、开关管QS、二极管DS，其中所述开关管QS的漏极与所述前级Boost变换器电容DF的阴极相连，开关管QS的源极与二极管DS的阴极和电感LS的一端相连，二极管DS的阳极接地，LS的另一端连接电容CS的一端，CS的另一端接地。所述两级变换器组成DC/DC变换器级联系统，CS的两端作为系统的输出端，开关管QS的栅极连接后级控制模块的控制信号。
4.根据权利要求1-3任一项所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述后级控制模块包括运算放大器和电阻R1、电容C1组成的电压补偿网络，所述运算放大器的反相输入端与电压采样模块输出相连，所述运算放大器的同相输入端与参考电压Vref相连，所述运算放大器的输出端与反相输入端之间设置有串联的电阻R1和电容C1；所述运算放大器的输出端作为后级控制模块的输出VCS，控制后级Buck变换器的开关管QF。
5.根据权利要求1-3任一项所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述后级电压采样模块由电阻Ra和电阻Rb组成，电阻Ra的一端与采样电压Vout相连，Ra的另一端与电阻Rb的一端相连，Rb的另一端接地，Ra的另一端作为电压采样模块的输出。
6.根据权利要求1-3任一项所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述前级Boost变换器的电流采样模块采用电流镜采样电路，由采样电阻R9、电阻R10～R14、PNP型三极管T1、T2、T3组成；其中，所述采样电阻R9串联在前级输入电感LF支路上，采样流经电感LF的电流Iin，所述三极管T1的发射极分别与电阻R10的一端和三极管T3发射极相连，T1的基极和集电极分别与三极管T2的基极相连，T1的集电极与电阻R12的一端相连，所述三极管T2的发射极与电阻R11的一端相连，T2的集电极分别与电阻R13的一端和T3的基极相连，所述三极管T3的集电极与电阻R14相连，电阻R12、R13、R14的另一端分别接地，电阻R10和电阻R11的另一端分别连在采样电阻R9的两端。
7.根据权利要求1-3任一项所述的脉冲电流纹波抑制电路，其特征在于：所述前级控制模块由电压补偿单元、RC低通滤波网络单元、CR高通滤波网络单元、输入电流交流扰动信号差分单元组成；其中，电压补偿单元与后级控制模块的拓扑结构相同；所述输入电流交流扰动信号差分单元由运算放大器OP2、电阻R5～R8组成，其中所述运算放大器OP2的同相输入端与电阻R5和电阻R8的一端相连接，R5的另一端连接电容C4和电阻R4的一端，R4的另一端接地，C4的另一端连接电流采样模块的输出，电容C4与电阻R4组成所述CR高通滤波网络单元；电阻R8的另一端接运算放大器OP2的输出端，运算放大器OP2的同相输入端连接电阻R6和电阻R7的一端，R6的另一端连接电阻R3和电容C3的一端，C3和R7的另一端分别接地，电阻R3的另一端连接所述电压补偿网络单元的输出，电阻R3和电容C3组成所述RC低通滤波网络单元。
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