CN110635689A - 一种机载小型化掉电保持模块及其工作方法 - Google Patents

一种机载小型化掉电保持模块及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载小型化掉电保持模块及其工作方法，所述掉电保持模块包括：控制单元、缓启动开关管Q1、降压开关管Q3、升压开关管Q4、防反灌开关管Q2、滤波电容C1、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1；所述控制单元包括供电端、掉电保持端、降压信号输出端和升压信号输出端；在掉电保持模块工作于升压模式时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，在掉电保持模块工作于降压模式时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路。本发明的掉电保持模块不受电源最大容性负载限制，且只采用一个由升压电路和降压电路共用的功率电感，以减小体积、重量、成本。

Description

一种机载小型化掉电保持模块及其工作方法
技术领域
本发明涉及飞机直流28V供电系统掉电保持功能，尤其是一种机载小型化掉电保持模块及其工作方法。
背景技术
目前掉电保持功能的实现多采用以下两种方式：
1.在电源输出端并联大电容，将能量储存在大电容中，电源输入掉电或欠压后由输出端电容提供能量。这种方法有两个弊端，一是容易受到电源最大容性负载限制，当电源输出端并联电容超过其最大容性负载后，会出现无法启动的问题；二是当输出功率较大时，并联的储能电容的容量将会很大，从而带来体积过大、重量过大和成本过高的问题。
2.采用升压+降压电路实现，分别设计一套升压和降压电路。正常输入时降压电路不工作，升压电路工作，将输入电压升高至相对较高的电压，其能量储存在储能电容中；输入掉电或欠压时，升压电路不工作，降压电路工作，将储存在储能电容中相对较高的电压降压至后级负载工作电压，以达到掉电保持的功能。这种方法有一个弊端，即降压电路和升压电路各需要一个功率电感，功率电感作为磁性器件，在开关电源的体积和重量这两项指标中占有相当大的比例，因此，此种方式不具有体积小、重量轻、成本低的优势。
因此，需要加以改进，设计出不受电源最大容性负载限制、体积小、重量轻、成本低的掉电保持电路模块。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种不受电源最大容性负载限制、体积小、重量轻、成本低的机载小型化掉电保持模块，并提供该掉电保持模块的工作方法。
本发明提供的一种机载小型化掉电保持模块，包括：控制单元、缓启动开关管Q1、降压开关管Q3、升压开关管Q4、防反灌开关管Q2、滤波电容C1、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1；所述控制单元包括供电端、掉电保持端、降压信号输出端和升压信号输出端；
缓启动开关管Q1的栅极连接控制单元的供电端，源极连接模块正输入端，漏极连接防反灌开关管Q2的源极；防反灌开关管Q2的漏极连接模块正输出端，栅极连接控制单元的掉电保持端；降压开关管Q3的栅极连接控制单元的降压信号输出端，源极经储能电容C2接地，漏极连接升压开关管Q4的源极；升压开关管Q4的栅极连接控制单元的升压信号输出端；升压开关管Q4的漏极、滤波电容C1的一端、以及负载电容C3的一端均连接在模块负输入端和模块负输出端之间并接地；电容C1的另一端连接模块正输入端；电容C3的另一端连接电源正输出端，同时又连接功率电感L1的一端；功率电感L1的另一端与降压开关管Q3和升压开关管Q4之间的电性连接点连接。
基于上述机载小型化掉电保持模块，本发明还提供一种机载小型化掉电保持模块的工作方法，包括：
(1)开启缓启动开关管Q1，启动掉电保持模块；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。
进一步地，所述机载小型化掉电保持模块还包括浪涌电流抑制电阻R1；所述浪涌电流抑制电阻R1并联在缓启动开关管Q1的源极和漏极之间。
基于上述机载小型化掉电保持模块，本发明还提供一种机载小型化掉电保持模块的工作方法，包括：
(1)启动掉电保持模块：在启动掉电保持模块时，使缓启动开关管Q1保持关闭，电流从浪涌电流抑制电阻R1上流过；当控制单元检测到输出电压达到设定阈值后，开启缓启动开关管Q1，浪涌电流抑制电阻R1被短路，电流从缓启动开关管Q1上流传过，浪涌电流抑制电阻R1上不再消耗功率，从而使掉电保持模块完成缓启动；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。
进一步地，所述掉电保持模块的掉电保持时间t的估算表达式如下：
Figure BDA0002242143310000041
其中，
C2：储能电容C2电容量为；
η：降压模式下，掉电保持模块转换效率；
VC2：储能电容C2起始电压；
VO：掉电保持模块输出电压；
PO：掉电保持模块输出功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用升压电路+降压电路实现，由控制单元控制使掉电保持模块工作于升压模式或降压模式，当工作于升压模式时，降压模式相关电路(如降压开关管Q3)处于待机状态，当工作于降压模式时，升压模式相关电路(如升压开关管Q4)处于待机状态，因此可以实现只采用一个由升压电路和降压电路共用的功率电感，以达到减小体积、重量、成本的目的。同时，由储能电容在升压模式中储能，可采用一个相对较小容量的储能电容储能相对较大的能量，解决了电源最大容性负载的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1的机载小型化掉电保持模块的原理图。
图2为本发明实施例2的机载小型化掉电保持模块的原理图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种机载小型化掉电保持模块，
包括：控制单元、缓启动开关管Q1、降压开关管Q3、升压开关管Q4、防反灌开关管Q2、滤波电容C1、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1；所述控制单元包括供电端、掉电保持端、降压信号输出端和升压信号输出端；
缓启动开关管Q1的栅极连接控制单元的供电端，源极连接模块正输入端，漏极连接防反灌开关管Q2的源极；防反灌开关管Q2的漏极连接模块正输出端，栅极连接控制单元的掉电保持端；降压开关管Q3的栅极连接控制单元的降压信号输出端，源极经储能电容C2接地，漏极连接升压开关管Q4的源极；升压开关管Q4的栅极连接控制单元的升压信号输出端；升压开关管Q4的漏极、滤波电容C1的一端、以及负载电容C3的一端均连接在模块负输入端和模块负输出端之间并接地；电容C1的另一端连接模块正输入端；电容C3的另一端连接电源正输出端，同时又连接功率电感L1的一端；功率电感L1的另一端与降压开关管Q3和升压开关管Q4之间的电性连接点连接。
基于本实施例提供的一种机载小型化掉电保持模块，其掉电保持工作方法为：
(1)开启缓启动开关管Q1，启动掉电保持模块；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。其中，采用防反灌开关管Q2在降压模式时关闭，可以阻止掉电保持模块的输出反灌至输入。
当模块正输入端的输入电压由掉电或欠压状态恢复正常输入时，掉电保持模块经缓启动过程后切换为升压模式。
综上可知，本实施例采用升压电路+降压电路实现，由控制单元控制使掉电保持模块工作于升压模式或降压模式，当工作于升压模式时，降压模式相关电路(如降压开关管Q3)处于待机状态，当工作于降压模式时，升压模式相关电路(如升压开关管Q4)处于待机状态，因此可以实现只采用一个由升压电路和降压电路共用的功率电感，以达到减小体积、重量、成本的目的。同时，本实施例由储能电容在升压模式中储能，可采用一个相对较小容量的储能电容储能相对较大的能量，解决了电源最大容性负载的限制。基于此，根据储能电容C2的容量，本实施例还提供所述掉电保持模块的掉电保持时间估算方法，掉电保持时间t的估算表达式如下：
其中，
C2：储能电容C2电容量为；
η：降压模式下，掉电保持模块转换效率；
VC2：储能电容C2起始电压；
VO：掉电保持模块输出电压；
PO：掉电保持模块输出功率。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上，本实施例的机载小型化掉电保持模块，还包括浪涌电流抑制电阻R1；所述浪涌电流抑制电阻R1并联在缓启动开关管Q1的源极和漏极之间，由浪涌电流抑制电阻R1、缓启动开关管Q1和控制单元组成浪涌电流抑制电路。
基于本实施例提供的一种机载小型化掉电保持模块，其掉电保持工作方法为：
(1)启动掉电保持模块：在启动掉电保持模块时，使缓启动开关管Q1保持关闭，电流从浪涌电流抑制电阻R1上流过；当控制单元检测到输出电压达到设定阈值后，开启缓启动开关管Q1，浪涌电流抑制电阻R1被短路，电流从缓启动开关管Q1上流传过，浪涌电流抑制电阻R1上不再消耗功率，从而使掉电保持模块完成缓启动；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。其中，采用防反灌开关管Q2在降压模式时关闭，可以阻止掉电保持模块的输出反灌至输入。
当模块正输入端的输入电压由掉电或欠压状态恢复正常输入时，掉电保持模块经缓启动过程后切换为升压模式。同样地，本实施例的掉电保持时间的估算方法与实施例1相同。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机载小型化掉电保持模块，其特征在于，包括：控制单元、缓启动开关管Q1、降压开关管Q3、升压开关管Q4、防反灌开关管Q2、滤波电容C1、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1；所述控制单元包括供电端、掉电保持端、降压信号输出端和升压信号输出端；
缓启动开关管Q1的栅极连接控制单元的供电端，源极连接模块正输入端，漏极连接防反灌开关管Q2的源极；防反灌开关管Q2的漏极连接模块正输出端，栅极连接控制单元的掉电保持端；降压开关管Q3的栅极连接控制单元的降压信号输出端，源极经储能电容C2接地，漏极连接升压开关管Q4的源极；升压开关管Q4的栅极连接控制单元的升压信号输出端；升压开关管Q4的漏极、滤波电容C1的一端、以及负载电容C3的一端均连接在模块负输入端和模块负输出端之间并接地；电容C1的另一端连接模块正输入端；电容C3的另一端连接电源正输出端，同时又连接功率电感L1的一端；功率电感L1的另一端与降压开关管Q3和升压开关管Q4之间的电性连接点连接。
2.根据权利要求1所述的机载小型化掉电保持模块，其特征在于，所述机载小型化掉电保持模块还包括浪涌电流抑制电阻R1；所述浪涌电流抑制电阻R1并联在缓启动开关管Q1的源极和漏极之间。
3.一种基于权利要求1所述的机载小型化掉电保持模块的工作方法，其特征在于，包括：
(1)开启缓启动开关管Q1，启动掉电保持模块；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。
4.一种基于权利要求2所述的机载小型化掉电保持模块的工作方法，其特征在于，包括：
(1)启动掉电保持模块：在启动掉电保持模块时，使缓启动开关管Q1保持关闭，电流从浪涌电流抑制电阻R1上流过；当控制单元检测到输出电压达到设定阈值后，开启缓启动开关管Q1，浪涌电流抑制电阻R1被短路，电流从缓启动开关管Q1上流传过，浪涌电流抑制电阻R1上不再消耗功率，从而使掉电保持模块完成缓启动；
(2)当模块正输入端的输入电压为正常输入时，掉电保持模块工作于升压模式：开启防反灌开关管Q2，此时缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2直通，电流经缓启动开关管Q1和防反灌开关管Q2流至模块正输出端为后级负载供电；同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成升压电路，其中，升压开关管Q4作为升压电路的开关管工作于开关状态，降压开关管Q3作为升压电路的整流管工作于关闭状态；通过升压电路使电压升压至较高的电压后储能在储能电容C2中；
(3)当模块正输入端的输入电压为掉电或欠压状态时，掉电保持模块工作于降压模式：关闭防反灌开关管Q2，同时，降压开关管Q3、升压开关管Q4、储能电容C2、负载电容C3和功率电感L1构成降压电路，其中，降压开关管Q3作为降压电路的开关管工作于开关状态，升压开关管Q4作为降压电路的整流管工作于关闭状态；通过降压电路使储能电容C2上较高的电压降低至合适电压后输出至模块正输出端为后级负载供电。
5.根据权利要求3或4所述的机载小型化掉电保持模块的工作方法，其特征在于，所述掉电保持模块的掉电保持时间t的估算表达式如下：
Figure FDA0002242143300000031
其中，
C2：储能电容C2电容量为；
η：降压模式下，掉电保持模块转换效率；
Vc2：储能电容C2起始电压；
Vo：掉电保持模块输出电压；
Po：掉电保持模块输出功率。
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