CN110649800A - 一种高精度的限流电路 - Google Patents

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付兴利
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Abstract

本发明提供一种高精度的限流电路，包括电压环PI调节器、电流环PI调节器、钳位电压源和钳位电路；电压环PI调节器将给定电压参考信号与输出电压反馈信号作差，并进行比例积分运算；电流环PI调节器将电压环PI调节器的输出和电流环反馈信号作差，并进行比例积分运算；钳位电压源用来给钳位电路提供电压值；钳位电路通过限制电流环PI调节器信号的最大值，进而限制限流电路所在直流变换器的输出电流。本发明的电路，在不损失电路其它特性的情况下，可有效提升限流精度。

Description

一种高精度的限流电路
技术领域
本发明涉及航空电气系统保护，属于电气安全领域。具体涉及一种高精度的限流电路。
背景技术
为提高航空电源系统的供电可靠性，相关标准中明确提出航空DC/DC变换器需要具备一定的过载和抗短路能力，具体要求为，1)过载能力：DC/DC变换器应能承受150％和200％的额定负载电流分别历时5min和5s，且输出电压应符合规范要求；2)抗短路能力：DC/DC变换器应能持续5s输出300％的额定负载电流。
航空领域电源变换器的限流功能实现策略之一是控制电流内环。
一种控制电流内环的方式是通过电阻分压，这种方式电路简单，限流精度也较高，但是需要将分压电路串联接入环路中去，影响环路增益，对后期环路调试也带来一定困难。如果把握不好，还可能影响环路稳定性。
另一种控制电流内环的方式是通过二极管钳位，这种方式采用并联方式接入到电路中去，和主电路之间是或的关系。主电路正常工作时，限流电路不参与到系统工作中去。而当系统发生过流或者短路时，限流电路切入主电路中去，通过控制电流内环，实现输出电流限制。但是，这种控制方式容易受到二极管参数的影响，导致限流精度不高。
常见的通过控制电流内环实现限流的航空领域电源变换器，一种方式影响环路特性，不利于环路调试和系统稳定性，另一种方式受钳位二极管差异性影响较大，影响限流精度。随着航空工业发展，对航空电源变换器有个更高的要求，新的限流电路应该在有效限制输出电流的同时，减少对环路稳定性的影响，提高限流精度。
发明内容
本发明的目的在于，为航空电源变换器产品的限流保护提供一种高精度的限流电路，在满足有效限制输出电流基础功能的前提下，解决传统限流电路影响环路特性以及输出电流限流精度不高的问题。
本发明技术方案:一种高精度的限流电路，包括电压环PI调节器、电流环PI调节器、钳位电压源和钳位电路；
电压环PI调节器将给定电压参考信号与输出电压反馈信号作差，并进行比例积分运算，然后送给电流环PI调节器；电压环PI调节器由电阻R2、R4、R5、R7、R8、电容C2、C4和运算放大器U2B组成，电压环基准信号V_Reference和R7的一端相连，R7的另一端同时连接U2B的正向输入端和R8的一端，R8的另一端接地信号AGND；输出电压反馈信号V_Feedback和R4一端相连，R4另一端同时和U2B的反向输入端、R2的一端及C2的一端相连，R2的另一端和C4的一端相连，C4的另一端同时和C2的另一端、U2B的输出引脚及R5的一端相连；R5的另一端信号V_Clamp作为电压环PI调节器输出；
电流环PI调节器将电压环PI调节器的输出和电流环反馈信号作差，并进行比例积分运算；电流环PI调节器由电阻R1、R3、R6、电容C1、C3和运算放大器U1B组成，信号V_Clamp和R6的一端相连，R6的另一端连接U1B的正向输入端；输出电流反馈信号I_Feedback和R3一端相连，R3另一端同时和U1B的反向输入端、R1的一端及C1的一端相连，R1的另一端和C3的一端相连，C3的另一端同时和C1的另一端及U1B的输出引脚相连，U1B的输出引脚信号PI_OUT2作为电流环PI调节器输出；
钳位电压源用来给钳位电路提供电压值，钳位电压源由电阻R9、R10、R11、电容C7和精密可编程稳压器VT1组成，+15V电源和R9一端相连，R9的另一端同时和C7一端、VT1的阴极及R10的一端相连；C7另一端和VT1的阳极及R11的一端连在一起后，一起接AGND信号；R10的另一端、R11的另一端和VT1的2引脚连接在一起，其中，R9、R10、VT1和C7的公共端，作为输出信号V_Source；
钳位电路通过限制电流环PI调节器信号V_Clamp的最大值，进而限制限流电路所在直流变换器的输出电流，起到限流作用，钳位电路由电容C5、C6、二极管D1和运算放大器U1A组成，+15V电源同时连接C5一端及U1A的8引脚，C5另一端接地AGND；C6一端接地AGND，另一端同时接U1A的4引脚和-15V电源；U1A的正向输入端接V_Source信号，U1A的1引脚接D1的阴极，2引脚和D1的阳极相连后，作为钳位电路的输出，限制电压环PI调节器输出信号V_Clamp的电压。
发明的有益效果：本发明的限流电路，实现方式是控制电流内环参考电压。通过钳位电压源电路可以精确设定期望的电压值，将此电压值通过钳位电路再处理后，以并联方式注入到电流环PI调机器参考端，最终完成输出限流功能。钳位电压源提供精确的钳位电压值，钳位电路可以提高钳位电压源的带载能力，同时通过自身的反馈环，消除由二极管带来的误差，提高限流精度。采用此限流电路，在不损失电路其它特性的情况下，可有效提升限流精度。
附图说明
图1是限流电路原理图
图2是电压环PI调节器
图3是电流环PI调节器
图4是钳位电压源
图5是钳位电路
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。
航空电源变换器产品多是采集输出电流信号，并将电流反馈信号和限流参考信号通过电流环PI调节器比较后，通过影响PWM信号占空比，来达到输出限流的目的。本发明所提供的一种高精度的限流电路，原理上也是如此，但是本发明通过钳位电压源和钳位电路配合，可以消除二极管参数带来的限流误差，提高限流精度。
一种高精度的限流电路，包括电压环PI调节器、电流环PI调节器、钳位电压源和钳位电路，如图1所示。
图2所示为电压环PI调节器，由电阻R2、R4、R5、R7、R8、电容C2、C4和运算放大器U2B组成。电压环PI调节器主要完成将给定电压参考信号V_Reference与输出电压反馈信号V_Feedback作差，并完成相关比例积分运算后得到输出信号V_Clamp，保证输出电压值和期望值相一致。
图3所示为电流环PI调节器，由电阻R1、R3、R6、电容C1、C3和运算放大器U1B组成。电流环PI调节器主要完成将电压环PI调节器或钳位电路输出的V_Clamp信号与电流反馈信号I_Feedback作差，并完成相关比例积分运算后得到输出信号PI_OUT2，PI_OUT2的最大值由V_Clamp决定，所以通过调整V_Clamp的值，就可以限定输出电流的最大值。
图4所示为钳位电压源，由电阻R9、R10、R11、电容C7和精密可编程稳压器VT1组成。其中VT1常采用TL431，通过TL431的技术手册，可以很容易算出
Figure BDA0002247974140000041
图5所示为钳位电路，由电容C5、C6、二极管D1和运算放大器U1A组成。在变换器正常工作时，U1A的负输入端信号V_Clamp＜正输入端信号V_Source，U1A的输出引脚1正向饱和，但是由于D1的作用，V_Clamp信号保持不变。在变换器输出过流或短路时，输出电压反馈信号V_Feedback减小，U2B正向饱和，导致V_Clamp＞V_Source，U1A反向饱和。U1A的反向饱和将导致D1正向导通，进而V_Clamp被二极管钳位，使得V_Clamp＜V_Source。一但V_Clamp＜V_Source，U1A又将正向饱和，D1又将反向截止，D1失去对V_Clamp的钳位作用，若此时变换器还处在过流或短路状态，那么V_Clamp将再次大于V_Source，U1A又将反向饱和。如此往复，直到变换器退出过流或短路工作状态。由于运算放大器的运算速度在微妙甚至是纳秒级，所以上述往复过程在微妙甚至是纳米时间内就已完成，对外的表现形式就是V_Clamp＝V_Source，输出电流被限制住了。当变换器退出过流或短路工作状态后，V_Clamp＜V_Source，变换器恢复正常工作。

Claims (8)

1.一种高精度的限流电路，包括电压环PI调节器、电流环PI调节器、钳位电压源和钳位电路；
电压环PI调节器将给定电压参考信号与输出电压反馈信号作差，并进行比例积分运算，然后送给电流环PI调节器；电流环PI调节器将电压环PI调节器的输出和电流环反馈信号作差，并进行比例积分运算；钳位电压源用来给钳位电路提供电压值；钳位电路通过限制电流环PI调节器信号V_Clamp的最大值，进而限制限流电路所在直流变换器的输出电流，起到限流作用。
2.如权利要求1所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，电压环PI调节器由电阻R2、R4、R5、R7、R8、电容C2、C4和运算放大器U2B组成，电压环基准信号V_Reference和R7的一端相连，R7的另一端同时连接U2B的正向输入端和R8的一端，R8的另一端接地信号AGND；输出电压反馈信号V_Feedback和R4一端相连，R4另一端同时和U2B的反向输入端、R2的一端及C2的一端相连，R2的另一端和C4的一端相连，C4的另一端同时和C2的另一端、U2B的输出引脚及R5的一端相连；R5的另一端信号V_Clamp作为电压环PI调节器输出。
3.如权利要求2所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，电流环PI调节器由电阻R1、R3、R6、电容C1、C3和运算放大器U1B组成，信号V_Clamp和R6的一端相连，R6的另一端连接U1B的正向输入端；输出电流反馈信号I_Feedback和R3一端相连，R3另一端同时和U1B的反向输入端、R1的一端及C1的一端相连，R1的另一端和C3的一端相连，C3的另一端同时和C1的另一端及U1B的输出引脚相连，U1B的输出引脚信号PI_OUT2作为电流环PI调节器输出。
4.如权利要求3所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，钳位电压源由电阻R9、R10、R11、电容C7和精密可编程稳压器VT1组成，+15V电源和R9一端相连，R9的另一端同时和C7一端、VT1的阴极及R10的一端相连；C7另一端和VT1的阳极及R11的一端连在一起后，一起接AGND信号；R10的另一端、R11的另一端和VT1的2引脚连接在一起，其中，R9、R10、VT1和C7的公共端，作为输出信号V_Source。
5.如权利要求4所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，钳位电路由电容C5、C6、二极管D1和运算放大器U1A组成，+15V电源同时连接C5一端及U1A的8引脚，C5另一端接地AGND；C6一端接地AGND，另一端同时接U1A的4引脚和-15V电源；U1A的正向输入端接V_Source信号，U1A的1引脚接D1的阴极，2引脚和D1的阳极相连后，作为钳位电路的输出，限制电压环PI调节器输出信号V_Clamp的电压。
6.如权利要求5所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，通过调节R10和R11阻值，能调节钳位电压源的输出信号V_Source，完成输出限流值的设定。
7.如权利要求6所述的具有高精度的限流电路，其特征在于，钳位电压源的输出电压为
Figure FDA0002247974130000021
其中，VT1采用精密可编程稳压器TL431，上式中Vref为TL431内部参考电压。
8.如权利要求7所述的高精度的限流电路，其特征在于，二极管D1阴极连接运放U1A的输出端，阳极连接U1A的反向输入端，D1阳极的输出信号V_Clamp作为电流环PI调节器的参考信号，D1和U1A组成了闭环反馈，消除了D1参数变化对V_Clamp的影响。
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