CN110601536A - 一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，包括外壳，其内设输入欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路、IO接口的电压调节电路、辅助电源供电电路、输入预制检流变压器及控制芯片，其采用单端正激拓扑结构；通过控制芯片控制MOS管实现对输出电压的调节，所述输入预制检流变压器通过检测输出电流大小，用三极管调节所述控制芯片的信号强度；所述输出过流保护电路采用电流互感器进行电流采集；所述外壳为六面金属屏蔽外壳。本发明的优点是，实现电源模块小型化、大范围可调，实现大电容的充电、实现IO接口的电压调节，保证电源保护功能和极低纹波。

Description

一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块

技术领域

本发明属于探测器电源领域，具体涉及一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块。

背景技术

目前在国内范围，激光供电模块主要用美国synoqr公司生产的模块，此模块的缺点主要是，输出最高可调90V，输出带性负载只有2000uf，不能用IO接口进行控制输出电压，而且电源稳压精度较差纹波大。对于同类产品，以往通常采用金属外壳，但多为比重比较大的金属材质，使得产品重量相对较大，而且容易被外界的环境所影响，造成生锈腐蚀。

本发明基于上述技术之上，主要是靠内部芯片功能实现常用功能保护，次级肖特基二级管整流，大大提高了整机效率；同时，芯片功能的增强，大大减少了外围保护电路及控制电路，减小模块体积，从而为模块小型化和标准化奠定了技术基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，实现电源模块小型化、大范围可调，实现大电容的充电、实现IO接口的电压调节，保证电源保护功能和极低纹波。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，包括外壳，其内设输入欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路、IO接口的电压调节电路、辅助电源供电电路、输入预制检流变压器及控制芯片，其采用单端正激拓扑结构；

通过控制芯片控制MOS管实现对输出电压的调节，所述输入预制检流变压器通过检测输出电流大小，用三极管调节所述控制芯片的信号强度；所述输出过流保护电路采用电流互感器进行电流采集；

所述外壳为六面金属屏蔽外壳。

进一步的，所述控制芯片采用UCC28C40DR、LM5010MH、UCC27324DGNR及LM158A；所述辅助电源供电电路采用LM5010开关降压芯片。

进一步的，所述控制芯片LM158A为一种PWM控制芯片，其外部添加软启动电路、内部振荡电路、最大占空比限制电路及轻载模式电路。

进一步的，所述控制芯片UCC28C40DR的振荡电阻选用低温漂、高精度的电阻，电容采用低温漂、高精度的电容，工作温度范围-55℃--150℃。

进一步的，所述激光供电模块采用插针式安装方式，并通过螺钉进行拆装。

进一步的，所述激光供电模块中的电容均为防浪涌电容，采用大容量瓷介电容器；所述激光供电模块开关管及整流管采用四支并联的IRFR3710Z；所述激光供电模块二极管采用肖特基两支串联的DF20L60，所述激光供电模块变压器采用材质为PQ32及PTS22.9磁芯的磁性材料。

进一步的，所述激光供电模块采用SMT表面贴装技术及四层板和铝基板工艺结构，外壳为铝合金外壳，内部实体填充导热胶；其外形尺寸为95×68×13.5mm3。

进一步的，所述激光供电模块适用于500W以下供电模块。

本发明的有益效果在于：

模块化设计，使用维修方便；接口丰富，体积小，配置灵活；成本低，输出纹波极低。

适用于100W到500W的电源，由于电路设计简单，主功率驱动简单，功率器器件和驱动芯片选型灵活，可靠性高，适用于各种输入输出条件，军工小功率信号控制电源广泛使用，市场现有驱动芯片、磁材及主功率器件品种多，调试简单。

通过控制芯片直接控制MOS管实现对输出电压的调节，供电模块的功率密度比使用分立元件的开关供电模块大很多，可靠性也更高；

采用SMT表面贴装工艺，四层板和铝基板工艺结构，性能稳定可靠；

每一路的采样电阻均选用低温漂(30ppm)、高精度的电阻，提高供电模块的稳压精度；短路保护的电流取样中采用了电流环取样的方式，取代了以往电阻的取样方式，提高供电模块的效率及可靠性；

适用于500W以下供电模块，由于电路设计简单，主功率驱动简单，功率器器件和驱动芯片选型灵活，可靠性高，适用于各种输入输出条件，军工小功率信号控制供电模块广泛使用，市场现有驱动芯片、磁材及主功率器件品种多，调试简单；

安装简单、更换方便：采用铝合金外壳，同时也能作为内部电路的防护、散热功能。铝合金外壳通过表面处理成黑色氧化后，既能防外界环境的水汽盐雾的腐蚀，同时也大大降低了产品的重量。在安装上，考虑客户实际使用方便，设计成螺钉紧固的方式，便于安装和拆卸产品，当产品故障时便于随时将备件及时的更换。同时六面金属屏蔽外壳对军用电磁兼容辐射类，有很好的抑制作用。

插针式安装：采用标准插针及遥控功能，实现了安装标准统一和外部控制信号TTL控制模块。使用业界标准的Φ1.0*17mm插针，客户安装标准化；对于产品故障需要替换的，无需专业技术人员亦可完成。对于客户一个空开对应多个供电模块的情况下，需要该模块停止检查或更换，可直接通过TTL端口停止模块，不影响其他电路正常工作。

产品的定位为军用品，所以供电模块内部选用器件全部经过筛选，供电模块整机制作后，进行整机筛选，提高供电模块的可靠性。输出可以带大的容性负载，可以输出加40000uf电容。大范围可调和IO口的控制，40V到200V可调，可以通过电位器和IO接口同时控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模块外形结构仰视图；

图2为本发明的模块外形结构侧视图；

图3为本发明控制芯片电路原理图；

图4为本发明UCC28C40DR芯片内部原理框图；

图5为本发明LM5010MH芯片内部原理框图；

图6为本发明UCC27324DGNR芯片内部原理框图；

图7为本发明LM158A芯片内部原理框图；

图8为本发明主电路拓扑电路；

图9为本发明IO接口的电压调节电路；

图10为本发明辅助电源供电电路；

图11本发明输出过流保护电路；

图12-14为本发明产品装配图；

图15为本发明生产流程图。

具体实施方式

如图1-15所示的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，包括外壳，其内设输入欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路、IO接口的电压调节电路、辅助电源供电电路、输入预制检流变压器及控制芯片，其采用单端正激拓扑结构；

通过控制芯片控制MOS管实现对输出电压的调节，所述输入预制检流变压器通过检测输出电流大小，用三极管调节所述控制芯片的信号强度；所述输出过流保护电路采用电流互感器进行电流采集；所述外壳为六面金属屏蔽外壳。

所述控制芯片采用UCC28C40DR、LM5010MH、UCC27324DGNR及LM158A；所述辅助电源供电电路采用LM5010开关降压芯片。

本激光供电模块主要解决常规进口模块输出电压低，新模块最高输出200V，功率150W，新发明的模块可以带40000uf的电容，输出电压可以通过IO接口进行调节，调节范围为30V至200V。采用单端正激拓扑，开关频率在180KHz(典型值)；采用SMT工艺制作，外壳为金属结构，内部实体填充导热胶。通过控制芯片直接控制MOS管实现对输出电压的调节，本供电模块的功率密度比使用分立元件的开关电源大很多，可靠性也更高，因此，本方案做出来的供电模块体积很小，且性能稳定。

本激光供电模块设有输入欠压保护，输出过压保护，输出过流保护，输出短路保护，可实现电位器线性连续可调，可以实现IO接口线性连续可调。

采用输出预制检流电阻，可以通过检测输出电流大小，用三极管调节控制芯片的信号强度，从而实现输出的电流恒定的功能，可以实现长时间短路保护，及带大容性负载的能力。

产品参数：

◇输入电压范围：18V～36V

◇输出电压范围：30V～200V连续可调

◇控制电压：(T+与T-外接0-2.2V电压，输出电压增加30V-200V)

◇输出最大电流：0.75A

◇电流调整率：2％

◇电压调整率：2％

◇工作温度范围：-55℃～+85℃

◇贮存温度范围：-55℃～+105℃

◇尺寸：A:95×68×13.5mm3

◇低纹波：Vpp≤200mV Vrms≤20mV

◇电压精度：2％

◇具有禁止功能及输出电压可调功能，具备TTL和CNT转换控制，悬空无输出，与输入负短接后有输出或悬空有输出，与输入负短接无输出。

◇充电时间要求：将输出电压调至200V，输出接400V/10000uF电容，到200V的充电时间≤500ms。

充电模块的工作频率为20hz(50ms)，放电脉宽为200us

◇六面金属外壳

◇品级：军品

如图1-2为本发明的结构外形图，采用SMT表面贴装工艺，四层板和铝基板工艺结构，性能稳定可靠。

1.控制芯片

主要原理见图3，主要的控制芯片UCC28C40DR、LM5010MH、UCC27324DGNR及LM158A，控制器具有电流控制型有源箝位控制电路所需要的功能特点。UCC28C40DR芯片的供电电压范围，从7V到18V输入。模块内部加开关电路已经将电压限制在12V，开关电路芯片用LM5010MH，LM5010MH输入电压范围8V到75V输入。其他功能包括还包括设置最大占空比、输入欠压锁定保护、恒流是限流保护、自带PWM斜率补偿、软启动，芯片内部原理框图见图4、图5、图6、图7。LM158A控制芯片是一款大范围PWM控制芯片，外部添加软启动电路、内部振荡电路、最大占空比限制电路、轻载模式电路。

2.电阻电容的选取

本电路输入防浪涌电容采取大容量瓷介电容器，其特点是无极性，适合用作混合集成电路或印刷电路的表面贴装元件，具有低等效串联电阻(ESR)和低等效串联电感(ESL)。

为确保整个电路开关频率的稳定性，控制芯片UCC28C40DR的振荡电阻选用低温漂、高精度的电阻，电容采用低温漂、高精度的电容，工作温度范围-55℃--150℃。

为了提高电源的稳压精度，每一路的采样电阻均选用低温漂(30ppm)、高精度的电阻。短路保护的电流取样中为了提高电源的效率及可靠性采用了电流环取样的方式，取代了以往电阻的取样方式。

3.功率开关管和整流管的选取

电压电路中，开关管在过压浪涌时，要承受36V的压降，流过管子的电流约为4.2A，则损耗功率为：

Pmax＝36V×4.2A＝151.2W

因此设计选用IRFR3710Z，电参数完全满足设计要求。

IRFR3710Z基本参数是：

Vds＝100V；Pd＝160W；RDS＝0.023Ω；Id＝59A

设计选用四支并联。

4.二极管的选择

电源最高电压为200V最大电流为0.75A，总输出功率150W。

依据输出电压和输出电流，选取二极管为肖特基DF20L60两支串联，总耐压为1200V，电参数完全满足设计要求。

DF20L60基本参数是：

Vrrm＝600V；Io＝200A；Trr＝100ns

5.磁性材料的选取

磁性材料依高饱和磁通密度Bs、高居里温度Qc、高电阻率ρ、高导磁率u、低剩余磁通密度Br、低磁心损耗Pc的原则变压器选取TDK有限公司材质为PQ32(电源变压器)和PTS22.9(主功率输出电感)磁芯。

模块工作原理见图7：当输出电压变化时，通过输出电压取样R38、R43、R45、R50、U6基准2脚FB端对输出取样进行比较，并将比较出的误差电压信号转换为误差电流信号，反馈到脉宽调制器内部根据误差信号改变驱动输出占空比，控制开关管的通断时间，再经过高频变压器T1、MOS管Q2，形成闭环回路，调节输出电压使其保持稳定，这个是单端正激的拓扑，主要实现输出200V的高压。

初级两级正激拓扑并联电路图见图8，次级串联输出，实现高电压转换，大范围可调，内部拓扑为单端正激，两路拓扑单一控制芯片，可降低两路拓扑的干扰，次级为两路串联，单路最高输出电压100V。

IO接口的电压调节电路见图9，IO接口输出电压范围为0V到2.5V，电流1mA，对应输出电压30V到200可调，当IO接口电压为0V时，通过内部运放比较和跟随，使输出电压达到5V，灌入芯片的基准端，实现可调，IO接口在0V到2.5V变化时，运放跟随输出线性变化，使此时的电压5V到2.5V线性变化，从而使输出电压实现40V到200V可调。

辅助电源供电电路见图10，主要芯片选用LM5010开关降压芯片，实现18V-36V输入，输出12V的辅助供电，输出电流最大可以达到1A的辅助能力，电源正常使用时辅助电源输出电流为100ma，已经进行了降额设计，因为是大范围可调输出，为防止变压器反馈随输出电压变化而变化，从而烧毁脉宽调制器，所以不能选用变压器反馈方式，以辅助电源供电方式最为可靠。

输出过流保护电路见图11，电源内部采用电流互感器进行电流采集，又通过D7进行整流滤波，Q9三级管为限流三级管，当电流持续变大超过过流保护值时，Q9导通将控制芯片COMP脚拉低，进而使输出电压降低实现输出恒流保护，可以带大的容性负载，实际测试值，可以带40000uf电容。

本发明的关键点和保护点为：

1、高电压输出，大范围可调，极低纹波输出。

2、IO接口控制输出电压可调，带大的容性负载。

3、UCC28C40DR、LM5010MH、UCC27324DGNR、LM158A控制器及其工作原理。

4、加电时应正确连接电源的正负极，保证正确供电，以避免烧毁。

5、INH端与-Vin端短接时，无输出；断开时，有输出。

本发明主要是靠内部芯片功能实现常用功能保护，次级肖特基二级管整流，大大提高了整机效率；同时，芯片功能的增强，大大减少了外围保护电路及控制电路，减小模块体积，从而为模块小型化和标准化奠定了技术基础。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，包括外壳，其特征在于，其内设输入欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路、IO接口的电压调节电路、辅助电源供电电路、输入预制检流变压器及控制芯片，其采用单端正激拓扑结构；

通过控制芯片控制MOS管实现对输出电压的调节，所述输入预制检流变压器通过检测输出电流大小，用三极管调节所述控制芯片的信号强度；所述输出过流保护电路采用电流互感器进行电流采集；

所述外壳为六面金属屏蔽外壳。

2.根据权利要求1所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述控制芯片采用UCC28C40DR、LM5010MH、UCC27324DGNR及LM158A；所述辅助电源供电电路采用LM5010开关降压芯片。

3.根据权利要求2所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述控制芯片LM158A为一种PWM控制芯片，其外部添加软启动电路、内部振荡电路、最大占空比限制电路及轻载模式电路。

4.根据权利要求2所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述控制芯片UCC28C40DR的振荡电阻选用低温漂、高精度的电阻，电容采用低温漂、高精度的电容，工作温度范围-55℃--150℃。

5.根据权利要求1所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述激光供电模块采用插针式安装方式，并通过螺钉进行拆装。

6.根据权利要求1所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述激光供电模块中的电容均为防浪涌电容，采用大容量瓷介电容器；所述激光供电模块开关管及整流管采用四支并联的IRFR3710Z；所述激光供电模块二极管采用肖特基两支串联的DF20L60，所述激光供电模块变压器采用材质为PQ32及PTS22.9磁芯的磁性材料。

7.根据权利要求1所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述激光供电模块采用SMT表面贴装技术及四层板和铝基板工艺结构，外壳为铝合金外壳，内部实体填充导热胶；其外形尺寸为95×68×13.5mm³。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种高电压大范围可调带超大电容激光供电模块，其特征在于，所述激光供电模块适用于500W以下供电模块。