CN110557024B - 一种磁反馈dcdc变换电路 - Google Patents

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Abstract

一种磁反馈DCDC变换电路，用变压器实现控制电路的一次侧、二次侧隔离，通过幅度调制在二次侧完成误差信号的反馈，并通过二次侧线性区控制电路和输出电压控制电路完成输出电压精确控制，并根据抗辐照控制芯片的工作特性，将一次侧的输入直流电压通过延时、变换驱动二次侧供电电源，完成系统的启动工作，当该电路启动后，由主变压器变换的二次侧供电电源取代该部分功能，维持系统工作。本发明相比于光耦隔离具有更强的稳定性及更好的抗辐射能力，可更好的应用与航天和机电伺服系统内部，属于电源控制技术领域。

Description

一种磁反馈DCDC变换电路
技术领域
本发明涉及一种磁反馈DCDC变换电路，属于电源控制技术领域。
背景技术
随着机电伺服系统内部对供电电源的需求越来越高，航天电源对电源的模块化、可扩展性、以及可靠性方面的需求也越来越高；目前，开关电源常用的的隔离方式为光耦隔离，这种方式结构简单、使用方便且成本较低，但是由于光耦本身工作线性度较低，在电流、环境温度、空间辐照和带电粒子的影响下，其电流传输率的变化进一步加剧甚至影响环路的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁反馈DCDC变换电路，用反激式拓扑实现控制电路的一次侧、二次侧隔离，相比于光耦隔离具有更强的稳定性及更好的抗辐射能力，可更好的应用与航天和机电伺服系统内部。本发明实现了信号隔离控制，具有优越的温度温度性、良好的可重复工作性、较强的抗辐射能力和长期的工作寿命。该电路可实现电源的模块化设计，可扩展性强、可靠性及稳定性高，满足机电伺服用模块电源需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种磁反馈DCDC变换电路，包括：主变压器、变压器1、变压器2、主控芯片、主功率线圈电路、控制电路、输出电压功率电路、线性控制区电路、输出电压控制电路；
外部输入电源给主控芯片和主变压器供电；所述主控芯片达到启动条件后，主控芯片通过所述主功率线圈电路向主变压器发送PWM信号，并通过主功率线圈电路接收主变压器的电流反馈信号，同时主变压器通过主变压器的反馈线圈向主控芯片提供输入电压；
主变压器的主线圈输出端依次经过控制电路、输出电压功率电路后作为外部输出电源；主变压器的副线圈2输出端经线性控制区电路与输出电压功率电路连接；
主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，分别向所述变压器1和变压器2发送控制信号1和控制信号2；
所述控制信号1用于控制变压器1的输出电压，变压器1的输出电压用于控制控制电路的输出电压范围；
所述控制信号2用于控制变压器2的输出电压，所述线性控制区电路根据变压器2的输出电压和主变压器的副线圈2的输出电压，向输出电压功率电路输出控制信号4；
所述输出电压控制电路根据外部输出电源的电压向输出电压功率电路输出控制信号3；
所述输出电压功率电路根据所述控制信号4和控制信号3，使输出电压功率电路的功率MOS FET2工作在线性区，同时所述输出电压功率电路根据所述控制信号4控制输出电压功率电路的电阻R4的输入端电压信号为所述功率MOS FET2的导通电阻，使输出电压功率电路的输出电压位于预设范围内。
优选的，所述控制电路采用功率MOS FET3。
优选的，所述控制电路与功率MOS FET2的漏极连接，外部输出电源与功率MOSFET2的源极连接，线性控制区电路和输出电压控制电路均通过电阻R4与功率MOS FET2的栅极连接。
优选的，所述线性控制区电路包括功率MOS FET4和电阻R3，主变压器的副线圈2输出端与所述功率MOS FET4的漏极连接，变压器2与所述功率MOS FET4的栅极连接，所述功率MOS FET4的源极通过电阻R3与输出电压功率电路连接。
优选的，所述输出电压控制电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7和控制芯片2；电阻R5的一端与外部输出电源连接，另一端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6的另一端与输出地连接，电阻R7的另一端与控制芯片2连接；控制芯片2根据电阻R7输入的反馈信号向输出电压功率电路输出控制信号3。
优选的，当外部输出电源的电压大于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出低电平，使输出电压功率电路的功率MOS FET2的漏极电压降低；当输出电源的电压小于等于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出高阻态。
优选的，所述主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，采用电压和电流双环PI控制方法，分别向变压器1和变压器2发送控制信号。
优选的，所述输出电压功率电路的输出电压偏差小于1％。
优选的，所述主控芯片的启动条件为大于10mA的谐波式电压。
优选的，所述外部输入电源给主控芯片的供电电压小于所述主变压器向主控芯片提供的输入电压。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明主变压器二次侧的多级控制，不仅仅取代了光耦隔离反馈，更是通过线性控制区电路控制输出电压功率电路内部的功率管工作在线性区，从而获得了更加精准稳定的输出电压；
(2)三级变压器和其对应控制电路，取代了传统的光耦隔离电路。一次侧电压、电流双环控制测量，测量主功率线圈的电流信号和一次侧副线圈的电压信号，通过幅度调制及解调过程使得误差信号传递给一次侧的主控芯片，实现误差信号的反馈，并与输出电压控制电路结合，实现电压的精确控制，相比与光耦隔离具有更强的稳定性和更好的抗辐射能力；
(3)本电路设计了主控芯片的供电回路，输入供电电源在初始时，为主控芯片提供一个10mA的供电电流，以启动该芯片，芯片启动后，一次侧副线圈为主控芯片提供维持电流，此时输入电源不在为该芯片供电，该部分的设计有效的利用本拓扑的特点，有效的利用了本电路的特性，无需额外提供供电电源。通过控制主控芯片的供电时间，保证了系统的上电时序。
附图说明
图1为本发明磁反馈DCDC变换电路的原理图；
图2为本发明磁反馈DCDC变换电路的信号流图；
图3为本发明磁反馈DCDC变换电路的局部电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种磁反馈DCDC变换电路，包括：主变压器、变压器1、变压器2、主控芯片、主功率线圈电路、控制电路、输出电压功率电路、线性控制区电路、输出电压控制电路；
外部输入电源给主控芯片和主变压器供电；所述主控芯片达到启动条件后，主控芯片通过所述主功率线圈电路向主变压器的主功率线圈发送PWM信号，并通过主功率线圈电路接收主变压器的电流反馈信号，同时主变压器通过主变压器的反馈线圈向主控芯片提供输入电压；所述外部输入电源给主控芯片的供电电压小于所述主变压器向主控芯片提供的输入电压；
主变压器的主线圈输出端依次经过控制电路、输出电压功率电路后作为外部输出电源；主变压器的副线圈2输出端经线性控制区电路与输出电压功率电路连接；
主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，分别向所述变压器1和变压器2发送控制信号1和控制信号2；
所述控制信号1用于控制变压器1的输出电压，变压器1的输出电压用于控制控制电路的输出电压范围；
所述控制信号2用于控制变压器2的输出电压，所述线性控制区电路根据变压器2的输出电压和主变压器的副线圈2的输出电压，向输出电压功率电路输出控制信号4(电压信号)；
所述输出电压控制电路根据外部输出电源的电压向输出电压功率电路输出控制信号3；
所述输出电压功率电路根据所述控制信号4和控制信号3，使输出电压功率电路的功率MOS FET2工作在线性区，同时所述输出电压功率电路根据所述控制信号4控制输出电压功率电路的电阻R4的输入端电压信号为所述功率MOS FET2的导通电阻，使输出电压功率电路的输出电压位于预设范围内。
所述控制电路采用功率MOS FET3。所述控制电路与功率MOS FET2的漏极连接，外部输出电源与功率MOS FET2的源极连接，线性控制区电路和输出电压控制电路均通过电阻R4与功率MOS FET2的栅极连接。所述线性控制区电路包括功率MOS FET4和电阻R3，主变压器的副线圈2输出端与所述功率MOS FET4的漏极连接，变压器2与所述功率MOS FET4的栅极连接，所述功率MOS FET4的源极通过电阻R3与输出电压功率电路连接。
所述输出电压控制电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7和控制芯片2；电阻R5的一端与外部输出电源连接，另一端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6的另一端与输出地连接，电阻R7的另一端与控制芯片2连接；控制芯片2根据电阻R7输入的反馈信号向输出电压功率电路输出控制信号3。
当外部输出电源的电压大于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出低电平，使输出电压功率电路的功率MOS FET2的漏极电压降低；当输出电源的电压小于等于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出高阻态。
所述主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，采用电压和电流双环PI控制方法，分别向变压器1和变压器2发送控制信号。
所述输出电压功率电路的输出电压偏差小于1％。所述主控芯片的启动条件为大于10mA的谐波式电压。
实施例2：
本发明一种磁反馈DCDC变换电路，采用电压、电流双环控制模式。其技术方案原理为：用变压器实现控制电路的一次侧、二次侧隔离，通过幅度调制在二次侧完成误差信号的反馈，并通过二次侧线性区控制电路和输出电压控制电路完成输出电压精确控制，并根据抗辐照控制芯片的工作特性，将一次侧的输入直流电压通过延时、变换驱动二次侧供电电源，完成系统的启动工作，当该电路启动后，由主变压器变换的二次侧供电电源取代该部分功能，维持系统工作，如图1所示。
其中包括主变压器、变压器1、变压器2、主控芯片、主功率线圈电路、控制电路、输出电压功率电路、线性控制区电路、输出电压控制电路。其中输出电压功率电路的输出端即为变换电路的输出电源。
外部输入电源用于给主控芯片和主变压器供电；所述主控芯片达到启动条件后，主控芯片通过所述主功率线圈电路给主变压器的主功率线圈发送PWM信号，并通过主功率线圈电路接收主变压器的电流反馈信号，同时主变压器通过主变压器的反馈线圈向主控芯片提供输入电压。
图2为本发明的局部电路图：
其中，控制芯片1(其中主控芯片包括控制芯片1和控制芯片1供电电路)，采用的是TI公司UC1843，MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3、MOSFET4均采用的是仙童公司的N沟道MOSFET管，电阻R1为驱动电阻，电阻R1的一端与MOSFET1的栅极相连，电阻R2电流采样电阻，电阻R2的一端与MOSFET1的源极相连。
控制芯片供电电路包括限流电阻R8、R9、防反灌二极管D1和储能电容C1，控制芯片供电电路在电路刚启动时由控制供电通过限流电阻R8、储能电容C1为控制芯片1供电，当系统驱动后，由供电2通过限流电阻R9、防反灌二极管D1和储能电容C1为控制芯片1供电，此时防反灌二极管D1将控制供电截止。
其中，MOSFET1、电阻R1、电阻R2构成了主功率线圈电路(还可以在主功率线圈电路中增加滤波电容，达到滤波效果)，MOSFET1的漏极与主变压器连接，源极与电阻R2连接，栅极与电阻R1一端连接，电阻R2的另一端与输入电源的“地”连接。
MOSFET3作为(还可以在控制电路中增加稳压电容，达到稳压效果)控制电路，MOSFET3的漏极与主变压器的主线圈输出端连接，源极与输出功率电路MOSFET2的漏极连接，栅极与变压器1的输出端连接。
MOSFET4、电阻R3构成了线性控制区电路，MOSFET4的漏极与主变压器的副线圈2连接，源极与电阻R3连接，栅极与变压器2的输出端连接。
MOSFET2、电阻R4构成了输出电压功率电路，MOSFET2的漏极与MOSFET3的源极连接，漏极作为外部输出电源连接(漏极之后还可以增加滤波电容，达到滤波效果)，栅极与电阻R4的一端连接。
控制芯片2、电阻R5、电阻R6、电阻R7构成了输出电压控制电路(还可以在输出电压控制电路中增加滤波电容，达到滤波效果)，电阻R5的一端与输出电源连接，另一端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6的另一端与输出地连接，电阻R7的另一端与控制芯片2连接。
输入电源给主控芯片1供电，当达到其启动条件后，控制芯片1向电阻R1发送PWM信号，电阻R1的另一端控制MOS1开关，将与MOS1源极相连的主变压器的功率按照预定比例传输到主变压器的主线圈输出端，通过电阻R2得到电流信号采样电压发送到控制芯片1，主变压器的反馈线圈向控制芯片1供电，将输入电源对主控芯片1的供电截止，如图3，同时主变压器的反馈线圈提供的电压信号作为该DCDC变换电路的电压反馈信号给主控芯片1，主控芯片1通过调节PI值实现主变压器原端电路的电压、电流双环控制；主控芯片1根据反馈线圈的控制信号分别向变压器1和变压器2发送控制信号1和控制信号2，变压器1根据控制信号1产生控制信号1用于控制变压器1的输出电压，变压器1的输出电压用于控制控制电路的输出电压范围。
所述线性控制区电路接收变压器2的输出电压，控制MOSFET4开关，主变压器的副线圈2的电压通过MOSFET4的漏极、源极和电阻R3向输出电压功率电路中的电阻R4、MOSFET2发送电压信号，使得MOSFET2工作在线性区，通过控制信号2控制变压器2的输出调整MOSFET4的开关频率、电阻R3调整控制信号4，控制输出电压功率电路中MOSFET2的栅极-源极间电压控制MOSFET2的漏极电流，实现输出电源控制。
通过上述方法将输出电源控制在预设值内，此时控制芯片2的输出控制信号3为“高阻”，当输出电源超出预设值，电阻R5和电阻R6连接点通过电阻R7向控制芯片2输入电压信号超过控制芯片2的标准值，控制芯片2的输出控制信号3变为“低”电平，使输出电压功率电路的功率MOS FET2的漏极电压降低，将输出电源电压降低到预设值内。
控制芯片1供电电路如图3，输入电源上电时，通过控制供电(输出电源供电)和限流电阻R8、储能电容C1为控制芯片1提供一个大于10mA的谐波式供电电压，当系统启动后，主变压器提供的供电2(主变压器经反馈线圈供电)通过电阻R9、防反灌二极管D1为控制芯片1供电，此时控制供电信号被中断，停止供电。
本电路设计了一次侧电压电流双环的控制测量，测量MOSFET1的电流和主变压器的反馈线圈电压，通过幅度调制及解调过程使得误差信号传递给一次侧的主控芯片，实现误差信号的反馈，并与输出电压控制电路结合，实现电压的精确控制，相比与光耦隔离具有更强的稳定性和更好的抗辐射能力。
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 (10)

1.一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，包括：主变压器、变压器1、变压器2、主控芯片、主功率线圈电路、控制电路、输出电压功率电路、线性控制区电路、输出电压控制电路；
外部输入电源给主控芯片和主变压器供电；所述主控芯片达到启动条件后，主控芯片通过所述主功率线圈电路向主变压器发送PWM信号，并通过主功率线圈电路接收主变压器的电流反馈信号，同时主变压器通过主变压器的反馈线圈向主控芯片提供输入电压；
主变压器的主线圈输出端依次经过控制电路、输出电压功率电路后作为外部输出电源；主变压器的副线圈2输出端经线性控制区电路与输出电压功率电路连接；
主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，分别向所述变压器1和变压器2发送控制信号1和控制信号2；
所述控制信号1用于控制变压器1的输出电压，变压器1的输出电压用于控制控制电路的输出电压范围；
所述控制信号2用于控制变压器2的输出电压，所述线性控制区电路根据变压器2的输出电压和主变压器的副线圈2的输出电压，向输出电压功率电路输出控制信号4；
所述输出电压控制电路根据外部输出电源的电压向输出电压功率电路输出控制信号3；
所述输出电压功率电路根据所述控制信号4和控制信号3，使输出电压功率电路的功率MOS FET2工作在线性区，同时所述输出电压功率电路根据所述控制信号4控制输出电压功率电路的电阻R4的输入端电压信号为所述功率MOS FET2的导通电阻，使输出电压功率电路的输出电压位于预设范围内。
2.根据权利要求1所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述控制电路采用功率MOS FET3。
3.根据权利要求1所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述控制电路与功率MOS FET2的漏极连接，外部输出电源与功率MOS FET2的源极连接，线性控制区电路和输出电压控制电路均通过电阻R4与功率MOS FET2的栅极连接。
4.根据权利要求1所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述线性控制区电路包括功率MOS FET4和电阻R3，主变压器的副线圈2输出端与所述功率MOS FET4的漏极连接，变压器2与所述功率MOS FET4的栅极连接，所述功率MOS FET4的源极通过电阻R3与输出电压功率电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述输出电压控制电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7和控制芯片2；电阻R5的一端与外部输出电源连接，另一端同时连接电阻R6的一端和电阻R7的一端，电阻R6的另一端与输出地连接，电阻R7的另一端与控制芯片2连接；控制芯片2根据电阻R7输入的反馈信号向输出电压功率电路输出控制信号3。
6.根据权利要求1～5之一所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，当外部输出电源的电压大于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出低电平，使输出电压功率电路的功率MOS FET2的漏极电压降低；当输出电源的电压小于等于预设电压值时，所述输出电压控制电路向输出电压功率电路输出高阻态。
7.根据权利要求1～5之一所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述主控芯片根据主变压器的电流反馈信号和主变压器提供的输入电压，采用电压和电流双环PI控制方法，分别向变压器1和变压器2发送控制信号。
8.根据权利要求1～5之一所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述输出电压功率电路的输出电压偏差小于1％。
9.根据权利要求1～5之一所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述主控芯片的启动条件为大于10mA的谐波式电流。
10.根据权利要求1～5之一所述的一种磁反馈DCDC变换电路，其特征在于，所述外部输入电源给主控芯片的供电电压小于所述主变压器向主控芯片提供的输入电压。
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