CN109710019A - 一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，包括电压基准源、第一运算放大器、第二运算放大器、第一与非门、第二与非门、第三运算放大器、第一开关管、第二开关管、第一二极管、上分流管、下分流管；其中，第一、第二运算放大器和第一、第二与非门组成滞环比较电路；电压基准源经分压电路得到第一和第二电压，第一电压高于第二电压；母线电压Vbus经分压电路得到第三电压；滞环比较电路通过比较第三电压与第一、第二电压的关系，来控制第一开关管和上分流管的导通与断开以实现太阳能阵与蓄电池的分流控制逻辑；第三运算放大器与外围电路构成上电控制电路，通过比较蓄电池和母线电压的关系来控制第二开关和下分流管以实现卫星的上电逻辑。

Description

一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路

技术领域

本发明涉及航天器电源控制技术领域，尤其涉及一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路。

背景技术

太阳电池阵是卫星的主能源，在轨光照区，将太阳能转换为电能，给卫星负载供电，而在地影区，为保证卫星正常工作，由蓄电池组给卫星负载供电。为在保证能源供给的情况下，防止蓄电池组过充电而危害整星任务安全，需要在电子设备中设计分流调节电路。

目前，在轨卫星太阳电池阵输出功率大于负载功率需求时，蓄电池组一般采取小电流浮充控制方式，如果蓄电池组长期处于满荷电状态，会导致蓄电池组的寿命缩短。另外，微小卫星与运载对接后，直至发射，可能存在地面无法给卫星供电的情况，虽然卫星未加电工作，但与蓄电池组连接的部分电路一直处于加电状态，因此，为满足卫星发射入轨后，姿态未正常建立期间，蓄电池组仍能提供足够的能量，需要尽可能的降低蓄电池组连接的部分电路的功耗。

在实现分流调节控制的基础上，尽可能的减小卫星发射前蓄电池组的耗电量，延长蓄电池组在轨工作寿命，需要设计一种新型分流调节电路。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了提供一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，对太阳电池阵输出功率进行控制，当输出功率大于负载功率需求时，分流调节电路工作在分流模式，由蓄电池组给负载供电；当输出功率小于负载功率需求时，分流调节电路工作在全输出模式，与蓄电池组联合给负载供电。本发明具体通过如下技术方案实现：

一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，包括包括电压基准源、第一运算放大器、第二运算放大器、第一与非门、第二与非门、第三运算放大器、第一开关管、第二开关管、第一二极管、上分流管、下分流管；其中，太阳能电池阵输入与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与卫星母线相连，上分流管的一端与第一二极管的正极相连，上分流管的另一端与下分流管的一端相连，下分流管的另一端接地；所述第一运算放大器、第二运算放大器和第一与非门、第二与非门组成滞环比较电路；电压基准源经分压电路得到第一电压和第二电压，所述第一电压高于第二电压；母线电压Vbus经分压电路得到第三电压；第一电压输出至第一运算放大器的正输入端，第二电压输出至第二运算放大器的负输入端；第三电压输出至第一运算放大器的负输入端，第三电压输出至第二运算放大器的正输入端；所述滞环比较电路通过比较第三电压与第一、第二电压的关系，来控制第一开关管和上分流管的导通与断开以实现太阳能电池阵与蓄电池的分流控制逻辑；所述第三运算放大器与外围电路构成上电控制电路，通过比较蓄电池和母线电压的关系来控制第二开关和下分流管的导通与断开以实现卫星的上电逻辑。

作为本发明的进一步改进，所述卫星的上电逻辑具体为：在卫星未上电工作时，母线电压Vbus为0，蓄电池电压VBAT经稳压再分压，分压后输出至第三运算放大器的正输入端，第三运算放大器输出高电平，在母线电压建立过程中，第三运算放大器持续输出为高电平，控制第二开关管V5处于导通状态，此时，下分流管V4栅极为低电平，V4处于关断状态，太阳电池阵为全输出状态，Vbus持续升高；当Vbus升高至一定值后，电压基准源UD1正常输出基准点电压，分流调节电路正常工作逻辑建立，Vbus经分压经后连接至第三运算放大器的负输入端，当第三运算放大器的负输入端电压高于正输入端电压时，第三运算放大器输出为低电平，第二开关管V5处于关闭状态，Vbus稳压后再分压，控制下分流管V4处于导通状态。

作为本发明的进一步改进，所述分流控制逻辑具体为：当第三电压低于第二电压时，第二运算放大器输出低电平，第二与非门输出高电平，第二开关管导通，下分流管为断开状态，太阳电池阵输出功率经第一二极管给负载供电，母线电压Vbus继续升高；当第三电压高于第二电压，低于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出低电平，第二与非门输出维持为高电平，第一开关管导通，上分流管仍处于断开状态，太阳电池阵输出功率经第一二极管给负载供电，母线电压Vbus继续升高；当第三电压高于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出低电平，第一与非门输出高电平，第二与非门输出低电平，第一开关管断开，上分流管为导通状态，太阳电池阵输出功率经上分流管和下分流管处于短接状态，卫星由蓄电池组给负载供电；当第三电压下降至低于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出高电平，第二与非门输出低电平，第一开关管断开，上分流管处于导通状态，太阳电池阵仍处于短路分流状态，由蓄电池组给负载供电；当第三电压下降至低于第二电压时，第二运算放大器输出低电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出低电平，第二与非门输出高电平，第一开关管导通，上分流管处于断开状态，太阳电池阵恢复给卫星供电。

作为本发明的进一步改进，当所述上分流管发生短路异常后，由下分流管提供分流控制功能，虽然母线电压所有下降，但仍能满足整星平台的功率需求。

作为本发明的进一步改进，所述上分流管与下分流管分开控制，下分流管由蓄电池组供电，最大限度的降低卫星地面存储及发射过程中蓄电池组的耗电量。

作为本发明的进一步改进，发射前，所述分流控制电路中仅有下分流管的上电控制电路处于加电状态，其他电路均处于断电状态，达到了降低蓄电池组能量消耗的目的

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明控制方式简单可靠，地面存储和发射过程中，蓄电池组耗电量较小，能实现星箭分离后卫星自主上电工作，可提高蓄电池组的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的太阳电池阵输出功率分流控制电路的原理图；

图2是本发明的太阳电池阵输出功率分流控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，包括包括电压基准源、第一运算放大器、第二运算放大器、第一与非门、第二与非门、第三运算放大器、第一开关管、第二开关管、第一二极管、上分流管、下分流管；其中，太阳能电池阵输入与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与卫星母线相连，上分流管的一端与第一二极管的正极相连，上分流管的另一端与下分流管的一端相连，下分流管的另一端接地；所述第一运算放大器、第二运算放大器和第一与非门、第二与非门组成滞环比较电路；电压基准源经分压电路得到第一电压和第二电压，所述第一电压高于第二电压；母线电压Vbus经分压电路得到第三电压；第一电压输出至第一运算放大器的正输入端，第二电压输出至第二运算放大器的负输入端；第三电压输出至第一运算放大器的负输入端，第三电压输出至第二运算放大器的正输入端；所述滞环比较电路通过比较第三电压与第一、第二电压的关系，来控制第一开关管和上分流管的导通与断开以实现太阳能电池阵与蓄电池的分流控制逻辑；所述第三运算放大器与外围电路构成上电控制电路，通过比较蓄电池和母线电压的关系来控制第二开关和下分流管的导通与断开以实现卫星的上电逻辑。

图2为本发明的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路的电路图。其中， Solar_IN为太阳电池阵输入正线，PGND为太阳电池阵功率回线，Vbus为卫星供电母线，VBAT为蓄电池组正极，V10V为电压基准源UD1输出。

在卫星未上电工作时，Vbus电压为0V，VBAT为蓄电池组电压。VBAT经过R110连接至稳压管V14的负极，R101和R120串联后于稳压源V14并联，V14两端的电压经R101和R120分压后经R137输出至运算放大器N11A的正输入端。VBAT经R102输出至运算放大器N11A电源端，C28起到电源滤波作用。运算放大器N11A输出为高电平，在Vbus建立过程中，N11A持续输出为高电平，经R14和R15分压后控制三极管V5处于导通状态，C3为滤波电容，此时，下分流管V4栅极为低电平，V4处于关断状态，太阳电池阵为全输出状态，Vbus持续升高。

当Vbus升高至一定值后，电压基准源UD1正常输出10V基准，分流调节电路正常工作逻辑建立，Vbus经R108和R147的分压经R125连接至运算放大器的负输入端，当运算放大器的负输入端电压高于正输入端电压时，运算放大器输出为低电平，三极管V5处于关闭状态，Vbus经R7稳压管V6稳压后输出稳定控制电平，经R12、R4和R4分压后控制下分流管V4处于导通状态。至此，卫星完成正常上电工作。

V10V经过R18、R21和R22分压后分别输出第一电压和第二电压，第一电压经R34输出至运算放大器N1A的正输出端，第二电压经R52输出至运算放大器N1C的负输出端。Vbus经R60和R116分压后，输出第三电压，分别经过R31输出至运算放大器N1A的负输入端，经过R38输出至运算放大器N1C的正输入端。Vbus经R17连接至运算放大器N1A和N1C的电源端，C35为电源滤波作用。Vbus经R19连接至稳压源ZD2的负极，稳压后经R24连接至UD2A和UD2C的电源端，C34为电源滤波作用。

当第三电压低于第二电压时，运算放大器N1C输出为低电平，经R40和R53分压后输出至与非门UD2C的第9输入端，UD2C的第10输出端输出为高电平，经R11后控制三极管V2为导通状态，V2集电极为低电平，经R1连接至上分流管V3的基极，NMOS管V3为断开状态，太阳电池阵输出功率经V7给负载供电，母线电压Vbus继续升高。

当第三电压高于第二电压，低于第一电压时，运算放大器N1C输出为高电平，运算放大器N1A输出为高电平，与非门UD2A输出为低电平，与非门UD2C输出维持为高电平，三极管V2为导通状态，上分流管V3仍处于断开状态，太阳电池阵输出功率经V7给负载供电，母线电压Vbus继续升高。

当第三电压高于第一电压时，运算放大器N1C输出为高电平，运算放大器N1A输出为低电平，与非门UD2A输出为高电平，与非门UD2C输出为低电平，三极管V2为关闭状态，上分流管V3处于导通状态，太阳电池阵输出功率经上分流管V3和下分流管V4处于短接状态，卫星由蓄电池组给负载供电。

当第三电压下降至低于第一电压时，运算放大器N1C输出为高电平，运算放大器N1A输出为高电平，与非门UD2A输出为高电平，与非门UD2C输出为低电平，三极管V2为关闭状态，上分流管V3处于导通状态，太阳电池阵仍处于短路分流状态，由蓄电池组给负载供电。

当第三电压下降至低于第二电压时，运算放大器N1C输出为低电平，运算放大器N1A输出为高电平，与非门UD2A输出为低电平，与非门UD2C输出为高电平，三极管V2为导通状态，上分流管V3处于关闭状态，太阳电池阵恢复给卫星供电。

从而，完成了分流控制逻辑，蓄电池组充满电后，会处于短时放电-充电-放电工作方式，使得供电母线稳定在一定范围内，防止蓄电池组过充电，并且可在一定程度上延长蓄电池组使用寿命。

发射前，电路中仅有下分流管的控制电路N11A及其外围电路处于加电状态，其他电路均处于断电状态，达到了降低蓄电池组能量消耗的目的。

本发明具有如下特点：

（1）太阳电池阵分流调节电路采用滞环控制方式，由运算放大器和与非门组成滞环比较器，控制方式简单可靠，配置灵活，可在一定程度上延长蓄电池组使用寿命；

（2）星箭分离后，在太阳电池阵正常输出功率时，能实现卫星正常上电工作；

（3）当上分流管发生短路异常后，可有下分流管提供分流控制功能，虽然母线电压所有下降，但仍能满足整星平台的功率需求；

（4）上分流管与下分流管分开控制，下分流管由蓄电池组供电，可最大限度的降低卫星地面存储及发射过程中蓄电池组的耗电量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

对于本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 (6)

1.一种星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于：所述电路包括电压基准源、第一运算放大器、第二运算放大器、第一与非门、第二与非门、第三运算放大器、第一开关管、第二开关管、第一二极管、上分流管、下分流管；其中，太阳能电池阵输入与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与卫星母线相连，上分流管的一端与第一二极管的正极相连，上分流管的另一端与下分流管的一端相连，下分流管的另一端接地；所述第一运算放大器、第二运算放大器和第一与非门、第二与非门组成滞环比较电路；电压基准源经分压电路得到第一电压和第二电压，所述第一电压高于第二电压；母线电压Vbus经分压电路得到第三电压；第一电压输出至第一运算放大器的正输入端，第二电压输出至第二运算放大器的负输入端；第三电压输出至第一运算放大器的负输入端，第三电压输出至第二运算放大器的正输入端；所述滞环比较电路通过比较第三电压与第一、第二电压的关系，来控制第一开关管和上分流管的导通与断开以实现太阳能电池阵与蓄电池的分流控制逻辑；所述第三运算放大器与外围电路构成上电控制电路，通过比较蓄电池和母线电压的关系来控制第二开关和下分流管的导通与断开以实现卫星的上电逻辑。

2.根据权利要求1所述的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于，所述卫星的上电逻辑具体为：在卫星未上电工作时，母线电压Vbus为0，蓄电池电压VBAT经稳压再分压，分压后输出至第三运算放大器的正输入端，第三运算放大器输出高电平，在母线电压建立过程中，第三运算放大器持续输出为高电平，控制第二开关管V5处于导通状态，此时，下分流管V4栅极为低电平，V4处于关断状态，太阳电池阵为全输出状态，Vbus持续升高；当Vbus升高至一定值后，电压基准源UD1正常输出基准点电压，分流调节电路正常工作逻辑建立，Vbus经分压经后连接至第三运算放大器的负输入端，当第三运算放大器的负输入端电压高于正输入端电压时，第三运算放大器输出为低电平，第二开关管V5处于关闭状态，Vbus稳压后再分压，控制下分流管V4处于导通状态。

3.根据权利要求1所述的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于，所述分流控制逻辑具体为：当第三电压低于第二电压时，第二运算放大器输出低电平，第二与非门输出高电平，第二开关管导通，下分流管为断开状态，太阳电池阵输出功率经第一二极管给负载供电，母线电压Vbus继续升高；当第三电压高于第二电压，低于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出低电平，第二与非门输出维持为高电平，第一开关管导通，上分流管仍处于断开状态，太阳电池阵输出功率经第一二极管给负载供电，母线电压Vbus继续升高；当第三电压高于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出低电平，第一与非门输出高电平，第二与非门输出低电平，第一开关管断开，上分流管为导通状态，太阳电池阵输出功率经上分流管和下分流管处于短接状态，卫星由蓄电池组给负载供电；当第三电压下降至低于第一电压时，第二运算放大器输出高电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出高电平，第二与非门输出低电平，第一开关管断开，上分流管处于导通状态，太阳电池阵仍处于短路分流状态，由蓄电池组给负载供电；当第三电压下降至低于第二电压时，第二运算放大器输出低电平，第一运算放大器输出高电平，第一与非门输出低电平，第二与非门输出高电平，第一开关管导通，上分流管处于断开状态，太阳电池阵恢复给卫星供电。

4.根据权利要求1所述的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于：当所述上分流管发生短路异常后，由下分流管提供分流控制功能，虽然母线电压所有下降，但仍能满足整星平台的功率需求。

5.根据权利要求1所述的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于：所述上分流管与下分流管分开控制，下分流管由蓄电池组供电，最大限度的降低卫星地面存储及发射过程中蓄电池组的耗电量。

6.根据权利要求1所述的星载太阳电池阵输出功率分流控制电路，其特征在于：发射前，所述分流控制电路中仅有下分流管的上电控制电路处于加电状态，其他电路均处于断电状态。