CN110601522A - 一种带短路保护功能的配电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带短路保护功能的配电电路，其包括功率开关电路、信号放大电路、逻辑判断电路、软启驱动电路和启动封口电路；所述功率开关电路的信号输出端与信号放大电路的输入端连接，信号放大电路的输出端通过逻辑判断电路与软启驱动电路的一个输入端连接，启动封口电路的输出端与软启驱动电路的另一个输入端连接，所述软启驱动电路的输出端与功率开关电路的信号输入端连接。本发明的技术方案电路构成简单，具备短路保护和通断控制功能，在接通瞬间具备浪涌电流抑制功能，发生保护后电路可重启，故障消除后可正常供电；负载短路瞬间功率开关压降低、功耗小，电路响应时间短，短路电流峰值可控，短路期间对其他用电负载工作无影响。

Description

一种带短路保护功能的配电电路

技术领域

本发明属于卫星供配电领域，尤其涉及一种带短路保护功能的配电电路。

背景技术

卫星供配电一般采用集中供电、分散配电的方式，由一台供电设备即电源控制器产生卫星所需的稳定供电母线，经配电器和线缆分送至各个用电负载。配电器在各配电支路上均设置了独立的熔断器和继电器开关。为了防止继电器接通瞬间浪涌大电流造成继电器触点烧毁或熔断器损坏，还需设计专门的浪涌抑制电路。当某路用电负载或线缆发生短路后，短路电流以快速上升，流过熔断器的大电流能量将熔断器熔断，断开故障支路与供电母线的连接，起到保护整星供电母线的作用。

目前星载合成孔径雷达、激光、电推进等技术发展迅速，它们用电负载需求的功率可达5KW～20KW，用电电压为一般为100V母线，需求电流可达数十安至几百安。一方面高压大电流继电器在宇航应用中无合适产品可选用，另一方面目前可供选择的宇航级熔断器最大电流值仅为15A，典型熔断时间达ms级，熔断需求能量批次差异大，且用在大电流场合往往需要采用多只并联形式，但卫星一般要求最大并联数量为4只，因此最大输出功率仅达3KW左右，难以应用在更高功率场合。而且并联会进一步增加了熔断能量，实测熔断瞬间熔断电流上升斜率大于10⁶A/S，熔断期间还会造成以下问题：

(1)熔断电流受线路内阻影响幅值不可控，最大峰值可达到数百安乃至上千安，导致供电链路中半导体器件击穿失效，引起二次故障，严重影响整星供配电安全；

(2)供电母线下降幅值达数十伏，轻则引起其他用电设备欠压复位，重则触发供电设备内部过流保护，导致整星掉电，造成不可挽回的损失。

熔断器为非自恢复器件，熔断后用电负载的供电链路处于断开状态，即使用电负载短路故障消除，也无法为其正常供电。由于卫星在轨期间无法更换熔断器，将导致该用电载荷永久损失，影响整星工作。

欧洲航天局ESA提出了采用固态限流保护器替代熔断器和继电器开关，并在低压28V、42V母线上得以广泛应用。其工作原理是在短路之后的一段时间内强制固态开关工作在线性电阻区限制短路电流大小，此时母线电压全部降落在固态开关两端。在限流时间段内固态开关实际功耗等于母线电压乘以限流保护值，在低压、小功率场合该值(一般为几百瓦)小于固态开关额定功耗，因此可以起到较好的保护作用。但在高压、大功率场合，限流器件固态功率将达数前瓦乃至上万瓦，超过固态器件可承受的最大功耗，导致固态器件烧毁，因此该技术难以应用在高压、大功率场合。

在工业应用中，产品均具备可维修性，因此一般通过在用电入口串联熔断器实现短路保护故障隔离。目前可查询到有些DCDC开关电源变换器产品也设计了短路保护功能，如图1所示，其功率开关管、采样电阻一般串联在变压器和电源回线之间，当未发生短路故障时功率开关在脉宽调制PWM控制下处于频繁开关状态以产生交流方波供变压器或电感等磁性器件传递能量。当电源输出端出现短路故障后，PWM变为常低状态，功率开关被断开。由于其采样电阻设置在电源回线处，当前端电路，如EMC滤波电路、变压器电路等出现短路故障时其无法起到保护作用。另外同配电电路中功率开关正常工作为导通状态不同，其功率开关始终处于通断交替状态，综上两个原因这种保护电路无法应用在配电电路中。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种带短路保护功能的配电电路，解决了卫星大功率供配电中固态限流保护技术受器件功耗限制难以应用在高压大功率配电场合、开关电源变换器短路保护电路无法应用在配电电路中，宇航级大电流熔断器、继电器器件选型困难且熔断电流大、供电母线跌幅大、影响卫星供电安全性、故障消除后难以恢复供电等多个技术问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种带短路保护功能的配电电路，其包括功率开关电路、信号放大电路、逻辑判断电路、软启驱动电路和启动封口电路；所述功率开关电路的功率输入端与供电设备连接，所述功率开关电路的功率输出端与用电负载连接；所述功率开关电路的信号输出端与信号放大电路的输入端连接，信号放大电路的输出端通过逻辑判断电路与软启驱动电路的一个输入端连接，启动封口电路的输出端与软启驱动电路的另一个输入端连接，所述软启驱动电路的输出端与功率开关电路的信号输入端连接。

本发明的技术方案可以应用于卫星大功率负载的配电电路，串联在卫星供电设备和用电负载之间，具备通断控制、电流浪涌抑制、短路保护等功能。

作为本发明的进一步改进，所述功率开关电路包括采样电阻R11、MOS管Q11和二极管D11；所述MOS管Q11的漏极连接供电设备的正线，作为输入供电的正线；所述MOS管Q11的源极通过采样电阻R11连接用电负载的正线；所述采样电阻R11的两个信号端作为信号放大电路的两个输入端，所述MOS管Q11的漏极还通过反向二极管D11连接供电回线。

作为本发明的进一步改进，所述信号放大电路包括前级信号放大电路和后级信号放大电路。

作为本发明的进一步改进，所述前级信号放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、运放U21、电容C21；所述电阻R21、电阻R22的一端分别连接功率开关电路中采样电阻R11的两端，所述电阻R21、电阻R22的另外一端分别连接运放U21的同相端和反相端，所述运放U21的同相端又经过电阻R23接控制地，所述运放U21的反相端又分别通过电阻R24、电容C21连接其输出端，所述运放U21的输出端作为前级信号放大电路的输出端。

作为本发明的进一步改进，所述后级信号放大电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、运放U22、电容C22；所述前级信号放大电路的输出端经电阻R25连接运放U22的同相端，运放U22的反相端通过电阻R26接控制地，运放U22的反相端又分别通过电阻R27、电容C22连接其输出端，运放U22的输出端作为逻辑判断电路的输入端。

作为本发明的进一步改进，所述逻辑判断电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C31、稳压二极管D31、比较器U31和触发器U32；所述信号放大电路的输出端经电阻R31连接比较器U31的同相端，所述比较器U31的同相端又通过电阻R33连接其输出；所述比较器U31的反相端通过电阻R32接控制供电VCC，所述比较器U31的反相端又通过稳压二极管D31接控制地；所述比较器U31的输出端连接触发器U32的S端、又经过电阻R34连接控制供电VCC；所述触发器U32的R端通过电容C31连接控制供电VCC，又通过电阻R35接控制地；所述触发器U32的Q输出端连接软启驱动电路的一个输入端。

作为本发明的进一步改进，所述软启驱动电路包括电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56、电阻R59、电阻R58、电阻R59、电容C51、电容C52、二极管D51、二极管D52、二极管D53、稳压二极管D54、二极管D55、二极管D56、三极管Q51、三极管Q52、MOS管Q53；所述二极管D52、二极管D51的阳极分别为软启驱动电路的两个输入端，所述二极管D52的阴极、二极管D51的阴极连接在一起，并通过电阻R51、电容C51的并联电路连接三极管Q51和三极管Q52的基极，所述三极管Q51和三极管Q52的基极通过电阻R52接控制地；所述三极管Q51的集电极通过电阻R53连接控制供电VCC，所述三极管Q52的发射极接控制地；所述三极管Q51的发射极和三极管Q52的发射极连接在一起，并通过电阻R54连接MOS管Q53的栅极，所述MOS管Q53的栅极还通过电阻R55接控制地，所述MOS管Q53的源极接控制地；所述二极管D53的阳极连接控制供电VCC，所述二极管D53的阴极通过电阻R56连接MOS管Q53的漏极；所述MOS管Q53的漏极通过稳压二极管接控制地，所述MOS管Q53的漏极又通过电阻R58接功率开关电路中MOS管Q11的栅极，所述MOS管Q11的栅极通过电阻R59连接MOS管Q11的源极；所述二极管D55的阳极连接至Q53的漏极，所述二极管D55的阴极通过电容C52接控制地，所述二极管D55的阴极还通过二极管D56、电阻R57的并联电路连接控制供电VCC。

作为本发明的进一步改进，所述启动封口电路包括电阻R41、电阻R42、电容C41和触发器U41；所述触发器U41的S端通过电容C41接控制供电VCC，所述触发器U41的S端又通过电阻R42接控制地；所述触发器U41的R端通过电阻R41接控制供电VCC，所述触发器U41的Q输出端连接软启驱动电路的另一个输入端。

该启动封口电路的作用是，电路启动过程中，在封口时间t＝1.2*R42*C41内，功率开关电路的MOS管Q11不受逻辑判断电路控制，而是始终处于断开状态，防止启动过程时序错误造成功率开关电路MOS管Q11频繁震荡；封口时间过后，MOS管Q11由逻辑判断电路控制。

作为本发明的进一步改进，配电电路的内部供电由VCC提供，VCC相对于控制地的电压幅值为12V。

进一步的，控制供电VCC未启动时，配电电路不工作，供电链路为断开状态；控制供电VCC启动后，配电电路可正常工作。用电负载短路故障后，通过供电VCC断电、加电的方式实现对配电电路的重启；若故障未消除供电链路将再次被切断，若故障消除供电链路可正常连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案，电路构成简单，具备短路保护和通断控制功能，在接通瞬间具备浪涌电流抑制功能，可替代传统卫星配电支路中的熔断器、继电器和浪涌抑制等三部分电路，解决了大电流熔断器和继电器宇航级器件选型困难的问题。发生保护后电路可重启，若短路故障消除后可给用电负载正常供电，避免了传统卫星配电电路在故障恢复后用电负载无法供电的问题；电路采用峰值电流控制，短路瞬间功率开关压降低、功耗小，弥补了固态限流保护器无法应用在高压、大功率场合的缺陷。

第二，本发明的技术方案，电路响应时间短，短路电流峰值可控，不会对供电设备、用电设备供电链路的器件造成击穿损伤；短路瞬间供电母线电压跌落小于1V，不会影响供电母线品质，短路期间对其他用电负载工作无影响；使用的器件易于获取宇航等级器件，适用于航天大功率配电场合。

附图说明

图1为现有技术的一种开关电源用短路保护电路结构示意图。

图2为本发明的一种带短路保护功能的配电电路的结构示意图。

图3为本发明的一种带短路保护功能的配电电路的电路示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明实施例的带短路保护功能的配电电路，包括信号放大电路、逻辑判断电路、软启驱动电路、启动封口电路和功率开关电路。功率开关电路的功率输入端与供电设备连接，功率开关电路的功率输出端与用电负载连接，功率开关电路的信号输出端与信号放大电路的输入端连接，信号放大电路、逻辑判断电路、软启驱动电路依次连接，启动封口电路的输出端与软启驱动电路的另一个输入端连接，软启驱动电路的输出端与功率开关电路的信号输入端连接。

如图3所示，功率开关电路包括电阻R11、MOS管Q11和二极管D11。MOS管Q11的漏极为输入供电正线，连接供电设备正线，MOS管的源极通过采样电阻R11连接用电负载正线。采样电阻R11的两个信号端作为信号放大电路的两个输入端，MOS管Q11的漏极还通过反向二极管D11连接供电回线。Q11断开瞬间，高变化斜率的电流会在线路寄生电感上产生较大电压尖峰，二极管D11可起到抑制电压尖峰的作用。电阻R11优选采用小阻值、低温漂、高精度四端子采样电阻。

如图3所示，信号放大电路包括两级运算电路：前级信号放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、运放U21、电容C21。电阻R21、电阻R22的一端分别连接功率开关电路中四端子采样电阻R11的两端，电阻R21、电阻R22的另外一端分别连接运放的U21的同相端和反相端，运放U21的同相端又经过电阻R23接控制地FGND，运放U21的反相端又经过电阻R24和电容C21连接其输出端，运放U21的输出端作为前级信号放大电路的输出端。后级信号放大电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、运放U22、电容C22。前级信号放大电路的输出端经电阻R25连接运放U22的同相端，运放的反相端通过电阻R26接控制地FGND，又通过电阻R27、电容C22的并联电路连接其输出端，运放U22的输出端作为逻辑判断电路的输入端。

此技术方案中，前级信号放大电路采用抗共模噪声能量强的差分比例运算，其中优选的，电阻R21与R22阻值相等，电阻R23与电阻R24阻值相等，均选用高精密、低温漂电阻，前级信号放大电路输出电压Vout1和流过配电电路电流I的关系为：Vout1＝I*R11*R24/R22。后级信号放大电路用于高倍比例放大，其输出电压Vout2和前级输出电压Vout1的关系为：Vout2＝(1+R27/R26)*Vout1。因此信号放大电路输出电压Vout2和流过配电电路电流I的关系为：Vout2＝(1+R27/R26)*I*R11*R24/R22。运放U21和U22选择低噪声、高带宽、高压摆率类型。电容C21和C22为零点补偿电容。

如图3所示，逻辑判断电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C31、稳压二极管D31、比较器U31和触发器U32。逻辑判断电路的输入端经电阻R31连接比较器U31的同相端，U31的同相端又通过电阻R33连接其输出。比较器U31的反相端通过电阻R32接控制供电VCC，又通过稳压二极管D31接控制地FGND。比较器U31的输出端连接触发器U32的S端、又经过电阻R34接控制供电VCC。触发器U32的R端通过电容C31接控制供电VCC，又通过电阻R35接控制地FGND。触发器U32的Q输出端连接软启驱动电路的一个输入端。

稳压二极管D31提供保护基准电压值Vref，当比较器U31同相端电压高于Vref时，U31输出端发生翻转。可推算出短路保护电流峰值ILIM为：

如图3所示，软启驱动电路包括电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56、电阻R59、电阻R58、电阻R59、电容C51、电容C52、信号二极管V51、信号二极管V52、、信号二极管V53、、稳压二极管V54、信号二极管V55、信号二极管V56、三极管Q51、三极管Q52、MOS管Q53。二极管D52、D51的阳极分别为软启驱动电路的两个输入，二者的阴极连接在一起，并通过电阻R51、电容C51连接三极管Q51和Q52的基极，该基极还通过电阻R52连接控制地FGND。三极管Q51的集电极通过电阻R53连接控制供电VCC，三极管Q52的发射极连接控制地FGND。三极管Q51的发射极和Q52的发射极连接在一起，通过电阻R54连接MOS管Q53的栅极，Q53的栅极还通过电阻R55接控制地FGND，Q53的源极也接控制地FGND。二极管D53阳极连接控制供电VCC，阴极通过电阻R56连接MOS管Q53的漏极。Q53的漏极还通过稳压二极管接控制地FGND，又通过电阻R58接电功率开关电路中Q11的栅极，Q11的栅极通过电阻R59接Q11的源极。二极管D55的阳极连接至Q53的漏极，阴极通过C52接控制地FGND，又通过二极管D56和电阻R57的并联电路接控制供电VCC。其中二极管D55、D56、电阻R56、电阻R57、电阻R58、电容C52组成软启动电路，在电路加电瞬间电容C52被缓慢充电，R59两端电压即MOS管Q11的栅源电压缓慢升高，使得Q11工作在线性电阻区，对加电瞬间浪涌电流起到抑制作用。正常加电完成后，C52被充满，Q11工作在导通状态。

如图3所示，启动封口电路包括电阻R41、电阻R42、电容C41和触发器U41。触发器U41的S端通过电容C41接控制供电VCC，又通过电阻R42接控制地FGND。触发器U41的R端通过电阻R41接控制供电VCC，触发器U41的Q输出端连接软启驱动电路的另一个输入端。启动封口电路的作用是，电路启动过程中，在封口时间t＝1.2*R42*C41内，功率开关电路的MOS管Q11不受逻辑判断电路控制，而是始终处于断开状态，防止启动过程时序错误造成功率开关电路MOS管Q11频繁震荡导致过功率损坏；封口时间过后，MOS管Q11由逻辑判断电路控制导通或断开。

本发明实施例的带短路保护功能的配电电路内部芯片的供电由VCC提供，VCC相对于控制地FGND的电压幅值为12V。控制供电VCC未启动时，配电电路不工作，供电链路为断开状态。控制供电VCC启动后，配电电路可正常工作。用电负载短路故障后，通过供电VCC断电、加电的方式实现对配电电路的重启。若故障未消除供电链路将再次被切断，若故障消除供电链路可正常连接。

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 (9)

1.一种带短路保护功能的配电电路，其特征在于：其包括功率开关电路、信号放大电路、逻辑判断电路、软启驱动电路和启动封口电路；所述功率开关电路的功率输入端与供电设备连接，所述功率开关电路的功率输出端与用电负载连接；所述功率开关电路的信号输出端与信号放大电路的输入端连接，信号放大电路的输出端通过逻辑判断电路与软启驱动电路的一个输入端连接，启动封口电路的输出端与软启驱动电路的另一个输入端连接，所述软启驱动电路的输出端与功率开关电路的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述功率开关电路包括采样电阻R11、MOS管Q11和二极管D11；所述MOS管Q11的漏极连接供电设备的正线，作为输入供电的正线；所述MOS管Q11的源极通过采样电阻R11连接用电负载的正线；所述采样电阻R11的两个信号端作为信号放大电路的两个输入端，所述MOS管Q11的漏极还通过反向二极管D11连接供电回线。

3.根据权利要求2所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述信号放大电路包括前级信号放大电路和后级信号放大电路。

4.根据权利要求3所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述前级信号放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、运放U21、电容C21；所述电阻R21、电阻R22的一端分别连接功率开关电路中采样电阻R11的两端，所述电阻R21、电阻R22的另外一端分别连接运放U21的同相端和反相端，所述运放U21的同相端又经过电阻R23接控制地，所述运放U21的反相端又分别通过电阻R24、电容C21连接其输出端，所述运放U21的输出端作为前级信号放大电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述后级信号放大电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、运放U22、电容C22；所述前级信号放大电路的输出端经电阻R25连接运放U22的同相端，运放U22的反相端通过电阻R26接控制地，运放U22的反相端又分别通过电阻R27、电容C22连接其输出端，运放U22的输出端作为逻辑判断电路的输入端。

6.根据权利要求5所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述逻辑判断电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C31、稳压二极管D31、比较器U31和触发器U32；所述信号放大电路的输出端经电阻R31连接比较器U31的同相端，所述比较器U31的同相端又通过电阻R33连接其输出；所述比较器U31的反相端通过电阻R32接控制供电VCC，所述比较器U31的反相端又通过稳压二极管D31接控制地；所述比较器U31的输出端连接触发器U32的S端、又经过电阻R34连接控制供电VCC；所述触发器U32的R端通过电容C31连接控制供电VCC，又通过电阻R35接控制地；所述触发器U32的Q输出端连接软启驱动电路的一个输入端。

7.根据权利要求6所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述软启驱动电路包括电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56、电阻R59、电阻R58、电阻R59、电容C51、电容C52、二极管D51、二极管D52、二极管D53、稳压二极管D54、二极管D55、二极管D56、三极管Q51、三极管Q52、MOS管Q53；所述二极管D52、二极管D51的阳极分别为软启驱动电路的两个输入端，所述二极管D52的阴极、二极管D51的阴极连接在一起，并通过电阻R51、电容C51的并联电路连接三极管Q51和三极管Q52的基极，所述三极管Q51和三极管Q52的基极通过电阻R52接控制地；所述三极管Q51的集电极通过电阻R53连接控制供电VCC，所述三极管Q52的发射极接控制地；所述三极管Q51的发射极和三极管Q52的发射极连接在一起，并通过电阻R54连接MOS管Q53的栅极，所述MOS管Q53的栅极还通过电阻R55接控制地，所述MOS管Q53的源极接控制地；所述二极管D53的阳极连接控制供电VCC，所述二极管D53的阴极通过电阻R56连接MOS管Q53的漏极；所述MOS管Q53的漏极通过稳压二极管接控制地，所述MOS管Q53的漏极又通过电阻R58接功率开关电路中MOS管Q11的栅极，所述MOS管Q11的栅极通过电阻R59连接MOS管Q11的源极；所述二极管D55的阳极连接至Q53的漏极，所述二极管D55的阴极通过电容C52接控制地，所述二极管D55的阴极还通过二极管D56、电阻R57的并联电路连接控制供电VCC。

8.根据权利要求7所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述启动封口电路包括电阻R41、电阻R42、电容C41和触发器U41；所述触发器U41的S端通过电容C41接控制供电VCC，所述触发器U41的S端又通过电阻R42接控制地；所述触发器U41的R端通过电阻R41接控制供电VCC，所述触发器U41的Q输出端连接软启驱动电路的另一个输入端。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的带短路保护功能的配电电路，其特征在于：所述配电电路的内部供电由电源的VCC提供，VCC相对于控制地的电压幅值为12V；控制供电VCC未启动时，配电电路不工作，供电链路为断开状态；控制供电VCC启动后，配电电路可正常工作；用电负载短路故障后，通过供电VCC断电、加电的方式实现对配电电路的重启；若故障未消除供电链路将再次被切断，若故障消除供电链路可正常连接。