CN111628650A - 一种dc/dc电路、simo变换器、微小卫星电源系统及工作方法 - Google Patents

一种dc/dc电路、simo变换器、微小卫星电源系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双输出DC/DC变换器电路，包括功率开关管(Q1,Q2)，二极管(D1‑D4)，电容(Co1,Co2)，变压器T和电感L；在变压器T初级侧，开关管Q1漏极接输入端，变压器T初级线圈同名端与电容Co1接一路输出端Vo1；初级线圈的异名端接开关管Q1的源极和D1的阴极，Co1及D1阳极接前级地；T次级线圈同名端接二极管D2阳极，电感L接D2阴极和D3阴极，L另一端接Q2漏极和D4阳极；D4阴极接另一路输出端Vo2和Co2，Co2另一端、T次级线圈异名端、D3阳极、Q2源极接后级地。本发明还公开了一种具有该电路的SIMO变换器和微小卫星电源系统。本发明还公开了其工作方法，开关管Q1、Q2同步导通，实现两路输出端的稳定输出。

Description

一种DC/DC电路、SIMO变换器、微小卫星电源系统及工作方法
技术领域
本发明涉及DC/DC电路拓扑结构技术领域，特别涉及一种DC/DC电路、SIMO变换器、微小卫星电源系统及工作方法。
背景技术
在通讯、医疗、工业自动化等领域，电子设备往往需要多个供电端口，以满足不同输入电压的供电需求。单输入多输出(SIMO)变换器是更为经济实惠的解决方案，将一个高效率、低交叉调整率的SIMO模块接在母线与供电端之间，即可同时为多个负载供电，实现系统的稳定工作。有时，母线电压和供电端需要电气隔离以保证安全。
目前应用较多的SIMO变换器为双输出Buck变换器，即在Buck电路的输出电感后增加两路并联开关管，如图1所示。该变换器对Buck电路增加了一个开关管、一个电容，即增加了一路非隔离输出，依然无法实现输入输出的电气隔离；而且输出两路的交叉调整率较差，通常需要引入较为复杂的控制方式来实现两路输出Vo1与Vo2的解耦，并额外引入了差模电压，电路的复杂度高，设计难度大。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种双输出DC/DC变换器电路，解决了目前无法实现输入输出的电气隔离，两路输出交叉调整率较差的问题。
本发明的目的之二在于提供一种具有双输出DC/DC变换器电路的SIMO变换器，可同时为多个负载供电，实现系统的稳定工作。
本发明的目的之三在于提供一种具有双输出DC/DC变换器电路的微小卫星电源系统，减小了电源系统的体积与成本。
本发明的目的之四在于提供一种双输出DC/DC变换器电路的工作方法，开关管Q1、Q2同步导通，实现两路输出端的稳定输出。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种双输出DC/DC变换器电路，包括拓扑电路和反馈控制电路；拓扑电路包括功率开关管Q1、功率开关管Q2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容Co1、电容Co2、变压器T和电感L；
在变压器T初级侧，Q1漏极接电源输入端，T初级线圈同名端与Co1接初级侧输出端Vo1，初级线圈异名端接Q1的源极和D1的阴极，Co1另一端及D1阳极接前级地；
T次级线圈同名端接D2阳极，L一端接D2阴极和D3阴极，L另一端接Q2漏极和D4阳极；
D4阴极接次级侧输出端Vo2和Co2一端，Co2另一端、T次级线圈异名端、D3阳极及Q2源极接后级地；
反馈控制电路用于给次级侧输出端Vo2提供稳定输出的电压。
进一步，变压器T与电感L进行磁集成。
进一步，二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4均采用肖特基二极管。
进一步，反馈控制电路包括单输出PWM控制器、数字隔离器、误差放大器U2、误差放大器U3、电阻R1、电容C1、PWM型功率放大器U4和补偿网络；
初级侧输出端Vo1与单输出PWM控制器的反馈端FB连接，单输出PWM控制器的输出端OUT连接Q1栅极Vgs(Q1)和数字隔离器输入端；数字隔离器输出端与电阻R1连接；U2正向输入端接次级侧输出端Vo2，负向输入端接参考电平Vref；U3正向输入端接电阻R1和电容C1，负向输入端接U2输出端；U2正向输入端与U3输出端之间接补偿网络；U3输出端与外部锯齿波作为U4的输入端，U4的输出端接Q2栅极Vgs(Q2)。
进一步，反馈控制电路包括单输出PWM控制器、数字隔离器、误差放大器U2、误差放大器U3、电阻R1、电容C1、PWM型功率放大器U4和补偿网络；
初级侧输出端Vo1与单输出PWM控制器的反馈端FB连接，单输出PWM控制器的输出端OUT连接Q1栅极Vgs(Q1)和数字隔离器输入端；数字隔离器输出端与电阻R1连接；U2正向输入端接次级侧输出端Vo2，负向输入端接参考电平Vref；U3正向输入端接电阻R1和电容C1，负向输入端接U2输出端；U2正向输入端与U3输出端之间接补偿网络；U3输出端与Q2的电流波形Ids(Q2)作为U4的输入端，U4的输出端接Q2栅极Vgs(Q2)。
本发明还公开了一种具有所述双输出DC/DC变换器电路的SIMO变换器。
本发明还公开了一种具有所述双输出DC/DC变换器电路的微小卫星电源系统，双输出DC/DC变换器电路作为双输出负载点电源。
本发明还公开了所述所述双输出DC/DC变换器电路的工作方法，包括以下工作阶段：
t0-t1时刻，Q1、Q2导通，D1关断，Q1漏源电压Vds(Q1)从负电平变化至零，变压器T电压上升，次级电流从D3和D4换流至D2；
t1-t2时刻，变压器T初级线圈正向磁化，输入能量直接传输至Vo1以及变压器T次级侧，电感L储能，电感L电流线性上升；
t2-t3时刻，Q1、Q2关断，D1导通，Q1漏源电压Vds(Q1)从零变化至负电平，次级电流从D2换流至D3和D4；
t3-t4时刻，变压器T初级线圈退磁，Vo1端能量由变压器T的初级电感提供；电感L能量由D3、D4回路释放至Vo2端，电感L电流线性下降。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种双输出DC/DC变换器电路，变压器初级侧相当于一个基本buck电路，因此变换器阶数低，反馈补偿环路更容易设计；次级电感L起到了储能和对Vo2稳压的作用，与升压电路输入电感设计类似；
第二路输出(Vo2)与输入端通过变压器T实现电气隔离，通过控制环路来维持输出电压的稳定；变压器采用正激式绕法，与其他解决方案(如flybuck)的反激式绕法比，同样的变压器可向输出端Vo2传递更多的能量，可用于更大功率的应用中，应用范围更广；与双输出Buck变换器相比，减少了一个MOS管，增加了三个二极管，每一路输出只需一个MOS管。在增加较少器件的情况下实现了隔离式输出，控制电路简化，并解决了交叉调整率问题。相比现有拓扑结构，本发明的电路能够满足工业领域隔离式多路稳压输出、更大输出功率、线路简单低成本、低交叉调整率的要求。
进一步，变压器T与电感L进行磁集成，减小电路体积，减小磁元件损耗，实现电路的小体积和低成本。
进一步，本发明考虑到Vo2电压的稳定性受到变压器T的漏感Lk和负载电流Io2的影响，设计了反馈控制电路。将Q1驱动信号Vgs(Q1)通过环路补偿、误差放大与PWM环节，输出端信号Vgs(Q2)驱动Q2，保证了环路系统和Vo2的稳定。两路输出的反馈控制环路互相不影响，只要保证各自的稳定即可实现双路稳定输出，即低交叉调整率；Vgs(Q2)源自Vgs(Q1)，保证了两路驱动同步工作，简化了电路。本发明提出的反馈控制实现了双路输出的解耦，并采用常见的单输出PWM控制器、误差放大器，成本较低。
进一步，载波由锯齿波改为MOS管Q2的电流波形Ids(Q2)，采用峰值电流模式，次级环路可实现更快的瞬态响应。
本发明还公开了一种具有双输出DC/DC变换器电路的SIMO变换器，可同时为多个负载供电，实现系统的稳定工作。
本发明还公开了一种具有双输出DC/DC变换器电路的微小卫星电源系统，作为双输出负载点电源(PoL)，与传统方案相比减少了2个隔离器与2个负载点电源，减小了电源系统的体积与成本。
本发明还公开了所述双输出DC/DC变换器电路的工作方法，开关管Q1、Q2同步导通，实现两路输出端的稳定输出。
附图说明
图1为传统的双输出Buck变换器的电路原理图；
图2为本发明的双输出DC/DC变换器电路的拓扑电路原理图；
图3为本发明的拓扑电路的工作波形图；
图4为本发明的反馈控制电路原理图；
图5为本发明的另一种反馈控制电路原理图；
图6为本发明的仿真线路图；
图7为本发明不同输入电压下的关键点波形图；
图8为本发明不同输入电压下的输出波形图；
图9为本发明输出电流变化时的输出波形图；图(a)为Io1变化时的输出波形图，图(b)为Io2变化时的输出波形图；
图10为传统的微小卫星电源系统的原理框图；
图11为本发明的微小卫星电源系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图2所示，本发明公开了一种双输出DC/DC变换器电路，包括拓扑电路，本发明的拓扑电路具体包括功率开关管(Q1,Q2)，肖特基二极管(D1-D4)，电容(Co1,Co2)，变压器T和电感L。在变压器T初级侧，开关管Q1漏极接输入端，变压器T初级线圈同名端接一路输出端Vo1。初级线圈的另一端(异名端)接开关管Q1的源极和D1的阴极，Co1、D1阳极接前级地。T次级线圈同名端接二极管D2阳极，电感L接D2阴极和D3阴极，L另一端接Q2漏极和D4阳极。D4阴极接另一路输出端Vo2和Co2，Co2另一端、T次级线圈另一端(异名端)、D3阳极、Q2源极接后级地。
更优地，为减小体积，减小磁元件损耗，对变压器T与电感L进行磁集成。
输出端Vo1也可称为初级侧输出端，输出端Vo2也可称为次级侧输出端。
具体工作方式：变压器T初级侧工作方式与Buck结构相同，开关管Q1、D1交替导通，控制Q1的占空比大小可实现Vo1的稳定输出。其余能量通过变压器T直接传输至次级侧，经过D2、D3整流后传输至电感L，经过L、Q3、D4组成的升压电路，实现Vo2的稳压输出。对变压器T与电感L进行磁集成，可有效减小体积。
电路结构如图2所示，工作过程主要分为以下四个阶段，如图3所示：
t0-t1时刻，Q1、Q2导通，D1关断，Q1漏源电压Vds(Q1)从负电平变化至零，变压器T电压上升，次级电流从D3和D4换流至D2；
t1-t2时刻，变压器T初级线圈正向磁化，输入能量直接传输至Vo1以及变压器T次级侧，电感L储能，电感L电流线性上升；
t2-t3时刻，Q1、Q2关断，D1导通，Q1漏源电压Vds(Q1)从零变化至负电平，次级电流从D2换流至D3和D4；
t3-t4时刻，变压器T初级线圈退磁，Vo1端能量由变压器T的初级电感提供；电感L能量由D3、D4回路释放至Vo2端，电感L电流线性下降。
该拓扑采取次级侧主动控制、正激式变换器的方式，实现更大输出功率下Vo2的稳压输出。Vo2电压的稳定性受到变压器T漏感Lk和负载电流Io2的影响，因此需要独立的反馈环路以保持稳定。本发明中电路的反馈控制电路如图4所示。初级侧输出端Vo1与单输出PWM控制器反馈端FB连接，单输出PWM控制器输出端OUT接Q1栅极Vgs(Q1)和数字隔离器一端(输入端)连接；数字隔离器另一端(输出端)与电阻R1连接；U2正向输入端接次级侧输出端Vo2，负向输入端接参考电平Vref；U3正向输入端接电阻R1和电容C1，负向输入端接U2输出端；U2正向输入端与U3输出端之间接补偿网络；U3输出端与外部锯齿波作为PWM(U4)的输入端，U4的输出端Q2栅极Vgs(Q2)。
具体控制方式：Vo1经电阻分压采样后，接同步buck控制器的FB端，驱动信号Vgs(Q1)驱动MOS管Q1。Vgs(Q1)经过数字隔离器传入次级，RC网络将驱动波形的占空比转化为电平。Vo2与参考电平比较后的误差电平作为负反馈输入到误差放大器U3，与RC网络转换后的电平比较，得到经Vo2修正后的电平，并由补偿网络保证系统的稳定性。经过PWM后，生成新的驱动信号Vgs(Q2)驱动Q2，从而保证Vo2的稳定输出。
另外，图4中的反馈控制电路为本发明电路的其中一种控制方案，还可采用峰值电流控制方式。如图5所示，与图4的区别在于载波由锯齿波改为MOS管Q2的电流波形Ids(Q2)。
下面给出具体的实施例：
在Vin输入端输入16-40V(典型值为28V)，如图8所示，当Vin输入端输入16V、28V、40V时，初级侧输出端Vo1输出值：5V/6A，输出功率30W；次级侧输出端Vo2输出值：12V/1A，输出功率12W。工作频率350kHz，Q1开关管工作占空比为31.3％-12.5％(典型值17.9％)，变压器T匝比2:5，变压器T初级电感量为30μH，电感L电感量为30μH。输出电容Co1＝44μF，Co2＝30μF。本例适用于为28V母线，5V、12V输入的设备供电。
对电路拓扑进行开环仿真，如图6所示。当输入电压分别为最小值、典型值、最大值时，得到关键点波形(见图7)与电流电压输出波形(见图8)，验证了拓扑的稳定输出功能以及工作方法的正确性。在Io1与Io2负载电流分别在半载到满载跳变时，另一路的波形如图9(a)与9(b)所示，可以看出，一路的输出负载变化不会使另一路的输出电压发生变化，具有良好的交叉调整率。
本发明的双输出DC/DC变换器电路可应用于微小卫星电源系统，作为双输出负载点电源(PoL)，如图11所示。从图10～11可以看出本方案与传统方案相比减少了2个隔离器与2个负载点电源，减小了电源系统的体积与成本。

Claims (8)

1.一种双输出DC/DC变换器电路，其特征在于，包括拓扑电路和反馈控制电路；拓扑电路包括功率开关管Q1、功率开关管Q2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容Co1、电容Co2、变压器T和电感L；
在变压器T初级侧，Q1漏极接电源输入端，T初级线圈同名端与Co1接初级侧输出端Vo1，初级线圈异名端接Q1的源极和D1的阴极，Co1另一端及D1阳极接前级地；
T次级线圈同名端接D2阳极，L一端接D2阴极和D3阴极，L另一端接Q2漏极和D4阳极；
D4阴极接次级侧输出端Vo2和Co2一端，Co2另一端、T次级线圈异名端、D3阳极及Q2源极接后级地；
反馈控制电路用于给次级侧输出端Vo2提供稳定输出的电压。
2.根据权利要求1所述的双输出DC/DC变换器电路，其特征在于，变压器T与电感L进行磁集成。
3.根据权利要求1所述的双输出DC/DC变换器电路，其特征在于，二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4均采用肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的双输出DC/DC变换器电路，其特征在于，反馈控制电路包括单输出PWM控制器、数字隔离器、误差放大器U2、误差放大器U3、电阻R1、电容C1、PWM型功率放大器U4和补偿网络；
初级侧输出端Vo1与单输出PWM控制器的反馈端FB连接，单输出PWM控制器的输出端OUT连接Q1栅极Vgs(Q1)和数字隔离器输入端；数字隔离器输出端与电阻R1连接；U2正向输入端接次级侧输出端Vo2，负向输入端接参考电平Vref；U3正向输入端接电阻R1和电容C1，负向输入端接U2输出端；U2正向输入端与U3输出端之间接补偿网络；U3输出端与外部锯齿波作为U4的输入端，U4的输出端接Q2栅极Vgs(Q2)。
5.根据权利要求1所述的双输出DC/DC变换器电路，其特征在于，反馈控制电路包括单输出PWM控制器、数字隔离器、误差放大器U2、误差放大器U3、电阻R1、电容C1、PWM型功率放大器U4和补偿网络；
初级侧输出端Vo1与单输出PWM控制器的反馈端FB连接，单输出PWM控制器的输出端OUT连接Q1栅极Vgs(Q1)和数字隔离器输入端；数字隔离器输出端与电阻R1连接；U2正向输入端接次级侧输出端Vo2，负向输入端接参考电平Vref；U3正向输入端接电阻R1和电容C1，负向输入端接U2输出端；U2正向输入端与U3输出端之间接补偿网络；U3输出端与Q2的电流波形Ids(Q2)作为U4的输入端，U4的输出端接Q2栅极Vgs(Q2)。
6.一种具有权利要求1～5任意一项所述双输出DC/DC变换器电路的SIMO变换器。
7.一种具有权利要求1～5任意一项所述双输出DC/DC变换器电路的微小卫星电源系统，其特征在于，双输出DC/DC变换器电路作为双输出负载点电源。
8.权利要求1～6任意一项所述所述双输出DC/DC变换器电路的工作方法，其特征在于，包括以下工作阶段：
t0-t1时刻，Q1、Q2导通，D1关断，Q1漏源电压Vds(Q1)从负电平变化至零，变压器T电压上升，次级电流从D3和D4换流至D2；
t1-t2时刻，变压器T初级线圈正向磁化，输入能量直接传输至Vo1以及变压器T次级侧，电感L储能，电感L电流线性上升；
t2-t3时刻，Q1、Q2关断，D1导通，Q1漏源电压Vds(Q1)从零变化至负电平，次级电流从D2换流至D3和D4；
t3-t4时刻，变压器T初级线圈退磁，Vo1端能量由变压器T的初级电感提供；电感L能量由D3、D4回路释放至Vo2端，电感L电流线性下降。
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